超短脉冲门控高速InGaAs/InP APD单光子探测

黄梓楠, 梁 焰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

对单个光子进行弱光检测的器件已经被广泛应用于量子保密通信[1]、激光雷达[2]、荧光寿命测量[3]等领域。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器由于其具备体积小、易集成、功耗低(仅需半导体制冷甚至无需制冷)、探测效率高、误计数低、时间抖动小、最大计数率高等优势,在近红外通信波段单光子的检测中脱颖而出,成为主流探测器。

InGaAs/InP APD通常具有两种工作模式,即线性模式(增益倍数只能达到103量级)和盖革模式(增益倍数高达106量级)。因此为实现单光子水平的弱光信号检测,APD往往需要工作在盖革模式下以响应单个光子,而单个载流子触发产生的自持雪崩无法自然停止,为保护APD器件,也为了再次响应光子信号进行下一次探测,需要快速将APD两端偏压降至雪崩电压以下,以此对雪崩进行抑制并使APD恢复到探测模式。在光子到达时间预期可知的应用(如量子密钥分发)中,通常使用门脉冲控制电路来抑制雪崩,这种方法在快速恢复APD探测提高其工作速率的同时,还可以大大降低探测器的误计数。然而,由于APD结电容的微分效应,经门信号充放电产生的尖峰噪声会将雪崩信号湮没,因此从尖峰噪声中提取出微弱的有效雪崩信号是门控盖革模式单光子雪崩二极管(SPAD)的核心问题。近年来,发展较为成熟的方案主要有等效电容平衡方案、自平衡方案和正弦门滤波方案[4-8]。其中等效电容平衡方案由于其工作重复频率可调、成本低廉,已经广泛应用于商售的InGaAs/InP APD单光子探测器中,但其最大工作频率一般仍局限在200 MHz水平[9]。自平衡方案和正弦门滤波方案的提出一举将门信号重复频率提高至GHz水平,但自平衡方案使用电缆线延时,限制了工作重复频率的可调谐性,而正弦门滤波在低频应用时会带来较大的误计数,使单光子探测器在介于低频(100 MHz)与高频(GHz水平)之间工作时仍保持较好的探测性能成为难点。

本文提出一种超短脉冲门控的高速低噪声的单光子探测方案,将超短脉冲门控低通滤波与平衡方案结合起来,使利用电容平衡方案的单光子探测器工作在700 MHz时仍保持极佳的探测性能,当探测效率为10%时,暗计数率为7.1×10-7/门,后脉冲概率为3.7%。因充分发挥了平衡方案电路结构简单、易于实现、成本较低的优点,突破了其工作频率上限,在不改变任何元器件的情况下使基于InGaAs/InP APD单光子探测器实现工作重复频率在较大的范围内连续可调。

1 单光子探测方案设计

尖峰噪声主要来源于APD的容性效应,门脉冲信号注入时,由于等效电容充放电会产生一个幅值很大的尖峰噪声将微弱的雪崩信号湮没。尤其随着门信号重复频率的提高,APD结电容的非线性特性更为复杂,其电容值会随着工作温度、偏置电压、门控频率的变化而变化,导致单一电容不能模拟出与APD相似的尖峰噪声信号。随着InGaAs/InP APD单光子探测器工作频率的提升即门脉冲信号重复频率的提高,暗计数和后脉冲概率会随之明显增大,通常可以通过减小门脉冲宽度来有效减少误计数。但同时,由于超短脉冲信号的采用,会导致APD的两端充放电的速度加快,尖峰噪声也会随之增大,从而增加从中提取出有效雪崩信号的难度。

本文使用一个幅值和脉宽均可调的超短脉冲信号作为门信号,并将一个可调电容与APD并联,产生一个与APD尖峰噪声类似的微分信号,这二个信号经取样电阻采集后被送入功分器初步消除噪声并提取出雪崩信号,之后级联合适的低通滤波器进一步滤除噪声,从而完成高效的单光子探测。

设计的实验装置如图1所示,射频信号发生器(SG)输出电平较低的700 MHz周期信号,信号经门脉冲产生电路(PG)整形放大处理后产生出幅度与脉宽均可调的超短脉冲门控信号,与直流偏压耦合后送入平衡电路,则初步得到隐藏尖峰噪声的雪崩信号。其中在可调电容端采用移相器(PS)和可调衰减器(Attn2)对取出的信号进行细微调节,以便实时调整电容模拟尖峰噪声的波形使其与APD端响应的尖峰噪声相匹配。由于在700 MHz超短脉冲门控频率下工作时,APD中的等效结电容对其响应出的信号容易产生复杂畸变,因此可调电容很难模拟出与其十分相似的噪声信号,此时的噪声抑制比不够理想,很难从噪声中提取出有效的雪崩信号。考虑到噪声信号与雪崩信号的频谱分布,尖峰噪声信号主要分布在门信号重复频率的基频及其谐波频率上,而雪崩信号的频谱带宽一般≤700 MHz,且随着频率的升高而减小,因此我们选取在平衡电路后级联一个截止频率为700 MHz的低通滤波器(LPF)来进一步滤除尖峰噪声。该滤波器的带外抑制比大于35 dB,它既可以有效滤去平衡电路难以消除的尖峰噪声,也可以避免破坏雪崩信号的完整性。由于超短门控信号的使用,有效雪崩时间持续较短,雪崩信号随之会减小,因此我们在低通滤波器后采用一个射频放大器放大信号,再将该信号经模数转换电路送入高速数字示波器(OSC)中进行计数。如图2为无光和有光入射时经过电容平衡与低通滤波后提取出的信号波形,雪崩信号可以通过高速比较器设置阈值从噪声信号中甄别出来。此外,本实验中所采用的门脉冲产生电路可以产生脉宽和幅值均可调的门信号,而门信号的幅值和脉宽对探测器的暗计数和后脉冲概率有一定的影响,可以通过细微调节这些参数进一步提高探测器的性能。

SG—信号发生器; PG—门控产生电路; LD—激光器; Attn1—光学衰减器; PS—移相器; Attn2—电学衰减器; PC—功分器;LPF—低通滤波器; AMP—射频放大器; ADC—模数转换电路; OSC—数字示波器; Cooling Box—制冷盒图1 超短脉冲门控单光子探测的实验原理图Fig.1 Experimental setup of single-photon detection with ultrashort gates

图2 无光和有光入射时放大器输出的信号波形Fig.2 Waveforms of the output signal of amplifier while the incident laser was off and on

2 单光子探测性能测试

通常衡量单光子探测器性能的指标有探测效率、暗计数、后脉冲概率、时间抖动、死时间和饱和计数率,这些性能参数之间相互制约,在不同的应用需求中,对于探测器的性能要求也不尽相同,因此在实际应用中需要权衡各个指标并进行针对性的设计和改善。本实验中,我们主要根据本方案的单光子探测器的性能对探测效率η、暗计数率PD和后脉冲概率PA进行详细测量。

探测效率η指探测器响应入射光子的概率。本实验中,我们采用光子标定法,通过衰减激光器的输出光功率来标定光子,η的计算式为

(1)

式中:P为探测器的计数率;PD为探测器的暗计数率;μ为平均入射光子数;f为激光器重复频率。

暗计数是由于受APD的材料特性、掺杂工艺以及热激发效应等因素影响,在没有光子入射时探测到的噪声信号计数。暗计数率PD定义为关闭激光光源后探测器输出的计数率与门信号重复频率的比值。

后脉冲计数是由于APD材料缺陷,雪崩之后晶格缺陷捕获载流子并缓慢释放,在下次进入盖革模式后触发雪崩,这种伪雪崩计数与光生雪崩不同,是在没有光子到达时由于捕获载流子再释放引起的。后脉冲概率PA即为光子计数后的总后脉冲计数与光子计数的比值,即

(2)

式中:fgate和fphoton分别为门脉冲和光脉冲的重复频率;Cnonilluminated和Cilluminated指探测门内无光和有光入射时的每门计数率;Cdark为探测门暗噪声的每门计数率。

我们采用衰减的弱相干光作为准单光子源,对采用超短脉冲门控滤波与平衡结合方案的单光子探测性能进行测试。工作重复频率为10 MHz的1 550 nm高速皮秒激光器,与门信号同步触发,衰减至每脉冲1个光子,入射在APD上。可通过调节门信号与光信号二者之间的延时,使探测效率达到最大。将APD置于自制的密封制冷盒中,内部通过半导体制冷片制冷至-30 ℃。调节超短脉冲门信号峰峰值为7 V,脉宽约为500 ps。通过调节加载在APD上的直流偏压来改变探测器的探测效率,并通过数字示波器采集并记录模数转换后的雪崩信号,测试其暗计数率和后脉冲概率在探测效率从1%～20%之间的变化,如图3所示。

图3 后脉冲概率及暗计数率随着探测效率的变化Fig.3 After pulse probability and dark count rate as a function of the detection efficiency

当探测效率小于10% 时,暗计数率和后脉冲概率随着探测效率的增加而缓慢增大,此后,上升幅度逐步增大;当探测效率为10%时,暗计数率仅为7.1×10门-1,后脉冲概率为3.7%;探测效率上升到15%时,暗计数率仅上升至1.4×10-6门-1,后脉冲概率增长幅度较大为7.9%;探测效率达到20%时,暗计数率增长至3.3×10-6门-1,后脉冲概率为15.6%。

另外,在探测效率为10%时,我们通过调节光信号与门信号之间的相对触发延时,测试单光子探测器的计数率,从而获得加载在APD上的有效门宽。计数率归一化处理后的结果如图4所示,整个计数率曲线的半高全宽为200 ps,即为有效门宽。由图4可知,有效门宽小于实际加载的门脉冲宽度,这与门脉冲加载在APD上充放电的时间有关,这也说明在探测中我们需要精确控制光信号与门信号之间的延时,以便确保最佳的探测效率。如果继续缩短超短脉冲门的宽度,则探测器的暗计数和后脉冲计数也会进一步减小,但随之有效雪崩时间也会缩短,雪崩信号的幅度随之降低,会进一步加大雪崩信号的提取难度,对噪声抑制比的要求更高。同时,门信号的幅度对探测器的性能也有影响,且不是简单的线性关系,因此选择合适的门脉冲宽度和幅度对探测器的性能至关重要,对于工作在不同频率的探测器,可通过调节门信号的宽度和幅度来进一步提高探测器的性能。

为了进一步说明基于超短门控滤波与平衡相结合方案的单光子探测器的性能,我们将此方案分别与日本Namekata等所采用的正弦门控滤波方案[10]和刘宏敏等采用的高速二极管平衡方案[11]进行对比,性能参数对比如表1所示。

表1 不同探测方案的性能比较Tab.1 Performance comparison of different detection techniques

以往单光子探测研究可知,工作在相同温度的探测器,其暗计数率和后脉冲概率均是随着探测效率的增大而增大的;而探测器在相同的探测效率下,随着工作温度的提高,探测器的暗计数率会随之增大,而后脉冲概率总体呈下降趋势。因此,本实验中采取的方案在暗计数率上比前两种方案均低了一个数量级(见表1),后脉冲概率也相应得到了较大的改善,明显提高了单光子探测器工作在700 MHz时的性能,体现了本方案的优越性。

3 结论与展望

本文提出了一种基于InGaAs/InP APD超短脉冲门控滤波与平衡相结合的单光子探测方案,结合电容平衡与低通滤波方案的优势,滤除尖峰噪声提取出微弱的雪崩信号,并在700 MHz频率工作时展示出了良好的探测性能。基于本文的单光子探测方案,可以通过调节超短脉冲门控信号的幅度和脉宽来进一步改善单光子探测器的性能,这种方案一方面突破了电容平衡技术在单光子探测中的工作频率上限,另一方面也避免了正弦门控滤波技术在低频段工作时的不足,解决了在自差分平衡技术中工作频率不易调节的问题,让单光子探测器实现工作重复频率在更大的范围内连续可调并保持极佳的探测性能。