Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
2 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
3 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We demonstrate the photon-number resolution (PNR) capability of a 1.25 GHz gated InGaAs single-photon avalanche photodiode (APD) that is equipped with a simple, low-distortion ultra-narrowband interference circuit for the rejection of its background capacitive response. Through discriminating the avalanche current amplitude, we are able to resolve up to four detected photons in a single detection gate with a detection efficiency as high as 45%. The PNR capability is limited by the avalanche current saturation, and can be increased to five photons at a lower detection efficiency of 34%. The PNR capability, combined with high efficiency and low noise, will find applications in quantum information processing technique based on photonic qubits.
single photon avalanche diode (APD) photon number resolution (PNR) detection efficiency Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032702
1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205
【目的】为了应对不断增长的超千兆需求，从千兆走向万兆，从第五代固定网络（F5G）走向高级第五代固定网络（F5.5G），50 Gbit/s无源光网络（PON）被认为是F5.5G的重要组成部分。故文章针对当前接入网络发展状况，对50 Gbit/s PON技术进行了深入研究。
【方法】文章首先介绍了实现50 Gbit/s PON高灵敏度面临的困难，并提出了解决方案。方案中，50 Gbit/s的非归零（NRZ）信号通过雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）探测器，在强电场的作用下形成可被检测到的宏观电流，该电流通过跨阻放大器（TIA）放大并转换成电压输出。对其进行均衡处理，采用光数字信号处理（oDSP）芯片的前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）对脉冲信号的拖尾现象进行补偿后，再通过DFE将码间干扰的影响降到最低。接着重点分析了APD、TIA和oDSP等关键技术，并采用25与50 Gbit/s APD对接收性能进行比较。
【结果】两组实验测试结果显示，第1组实验25 Gbit/s APD在测试时间4 min内接收信号无误码，接收光功率为－8.48 dBm，当误码率（BER）为2.78e－2时，接收光功率达－26.61 dBm；在使用50 Gbit/s APD的情况下，4 min内接收信号无误码时，接收光功率为－8.97 dBm。当BER为2.78e－2时，接收光功率达到－27.05 dBm，第2组数据50 Gbit/s APD-2也达到了同样的实验效果。
【结论】50 Gbit/s APD接收灵敏度更高，性能更好，更适合使用在50 Gbit/s PON光模块中实现高性能接收。最后文章针对未来降成本方案在均衡技术与APD上的应用提出了可行性分析。
50 Gbit/s无源光网络 雪崩光电二极管 光数字信号处理 跨阻放大器 高性能接收 50 Gbit/s PON APD oDSP TIA high sensitivity reception 光通信研究
2024, 50(1): 23015001
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
4 上海量子科学研究中心，上海 201315
5 复旦大学 应用表面物理国家重点实验室和物理学系，上海 200438
InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）对近红外光具有高敏感度，使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂，厚度尺寸从量子点到几微米不等，性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延（MBE）技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In0.53Ga0.47As薄膜和APD结构材料。实验结果表明，As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势，可获得陡直明锐的异质结界面，降低载流子浓度，提高霍尔迁移率，延长少子寿命，并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此，As脱氧可以有效提高MBE材料的质量，这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。
分子束外延 P/As切换 异质界面扩散 铟镓砷/磷化铟雪崩光电二极管 molecular beam epitaxy P/As exchange heterointerface diffusion InGaAs/InP APD
湖北久之洋红外系统股份有限公司, 湖北 武汉 430223
针对雪崩光电二极管(Si-APD)所加偏压需要随环境温度作调整, 且偏压电路所需的低纹波低噪声等因素, 构建了以Royer振荡器和微控制器为核心的偏压电路。该Si-APD偏压电路以BL8032型同步降压控制器作为Royer振荡器的输入电源, 以MS5221M型DAC作为该输入电源的调整单元, 以AD8606型集成运放和AD7980型ADC作为Royer振荡器输出电压采样单元, 以STM32F103TBU6型微控制器作为计算与时序控制单元。本偏压电路不仅具有温度自适应性, 而且具有低纹波、低噪声、低功耗和电气安全隔离的特点, 能在9~36 VDC宽输入电压范围和-40~70 ℃环境下良好工作。
Royer振荡器 硅基雪崩光电二极管 偏压电路 温度自适应性 微控制器 Royer oscillator Si-APD bias circuit temperature adaptivity MCU
1 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 西安工业大学 西安市主动光电成像探测技术重点实验室，陕西 西安 710021
针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题，文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路（Time-to-Digital Converter, TDC）。该TDC首先基于分段式计数原理，设计了粗精两级的计数架构，保证了TDC宽量程测量；其次，针对精计数单元，采用时钟等相差相移π/N，生成等效高频脉冲时钟，将精计数单元的计时精度提升N倍；再次采用多计数器双沿间隔计数方法，将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍；最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明：文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时，计时分辨率为416.67 ps，计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验，测距误差为5.62 cm，对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验，测距的方差为0.001 7 m，由此可见，基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。
单光子 激光测距 时间数字转换 等效脉冲 GM-APD single photon laser ranging time digital conversion equivalent pulse GM-APD 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230094
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 200120
3 中国科学院大学，北京 100049
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
混合飞行时间测距 读出电路 线性模式雪崩光电二极管 激光雷达 hybrid time-of-flight ranging readout circuit linear-mode APD lidar 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220892
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220698
1 中国科学院 上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me-,在3.2 μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns, DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。
线性模式APD 主被动探测 光子飞行渡越时间 时间精度 linear mode APD active and passive detection time of flight (ToF) time resolution
1 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
2 华中科技大学，湖北 武汉 430074
采用LPE生长的中波碲镉汞材料，通过B离子注入n-on-p平面结技术制备了规模为256×256，像元中心距为30 μm的碲镉汞APD焦平面探测器芯片。在液氮温度下对其增益、暗电流以及过噪因子等性能参数进行了测试分析，结果表明，所制备的碲镉汞APD焦平面芯片在-8.5 V反偏下平均增益达到166.8，增益非均匀性为3.33%；在0~-8.5 V反向偏置下，APD器件增益归一化暗电流为9.0×10-14~ 1.6×10-13 A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。此外，还对碲镉汞APD焦平面进行了成像演示，并获得了较好的成像效果。
碲镉汞 APD 增益 暗电流 过噪因子 HgCdTe APD gain dark current the noise factor
1 上海航天控制技术研究所，上海 201109
2 中国航天科技集团有限公司 红外探测技术研发中心，上海 201109
系统梳理了基于单元盖格雪崩光电二极管的多类距离重构方法的原理与特点，分析了适用于面阵盖格雪崩光电二极管的距离重构方法。采用激光细光束二维扫描发射覆盖探测视场和面阵盖格雪崩光电二极管焦平面阵列器件探测接收目标回波的方式，搭建了激光三维成像实验装置。采用不同距离重构方法对激光回波点云原始数据进行目标距离信息提取，以信号与背景计数的比值定量评估目标距离重构结果的差异。实验比对结果表明，空间相关处理后的信号与背景计数比值由0.5提升至6.67，提升效果明显。激光三维成像实验结果对比发现，在100 Hz成像帧频下仅有空间相关方法能重构出目标三维轮廓，验证了空间相关重构方法的优势和有效性，支撑了基于盖格雪崩光电二极管焦平面阵列高帧频远距激光三维成像技术工程应用。
激光雷达 光子计数 三维成像 盖格雪崩光电二极管 焦平面阵列 LiDAR Photon counting 3D imaging Gm-APD Focal plane array 光子学报
2022, 51(12): 1214005
