研究背景
在遠(yuǎn)距離高性能激光雷達(dá)應(yīng)用中，目標(biāo)的回波光信號(hào)往往十分微弱。使用單光子探測(cè)器可大大降低激光器的功率要求，大幅提高有效探測(cè)距離。
而在航天器、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)上使用的激光雷達(dá)除要求探測(cè)距離遠(yuǎn)外，還需要體積小、重量輕、功耗低。因此，需要通過(guò)集成化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，在保證探測(cè)器高性能的前提下降低探測(cè)器的體積和功耗，以滿足條件苛刻的系統(tǒng)應(yīng)用需求，提高其在系統(tǒng)應(yīng)用中的便利性和可靠性。
創(chuàng)新研究
課題組通過(guò)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行多方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高性能、小體積、低功耗的目標(biāo)。首先，課題組設(shè)計(jì)了元件數(shù)少、結(jié)構(gòu)緊湊的超低延遲雪崩淬滅電路，如圖1(左)所示，使雪崩脈沖幅度僅數(shù)百uA，約1 ns，從而獲得了更低的后脈沖概率和暗計(jì)數(shù)率。
為了在實(shí)現(xiàn)快速淬滅的同時(shí)保證電路在微型化后復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，課題組通過(guò)在平衡電容電路中增加額外的RC電路(Rd2Cd2)，增加了到達(dá)雪崩比較器反向輸入端的尖峰脈沖的幅度和時(shí)長(zhǎng)，使整個(gè)電路對(duì)尖峰脈沖噪聲殘余的容限大幅提高，同時(shí)降低了可設(shè)置的雪崩鑒別電平，提高了淬滅速度。
其次，在設(shè)計(jì)的電路的基礎(chǔ)上，將平衡電路、測(cè)溫電阻PT1000、熱電致冷片(TEC)和 SPAD 芯片等關(guān)鍵部件進(jìn)行集成封裝，如圖一(右)所示，不僅減小了探測(cè)器的整體體積，還使 SPAD 和平衡電路共享相似的電磁環(huán)境和分布參數(shù)，提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性。
圖1 單光子探測(cè)器電路(左)、SPAD集成制冷封裝結(jié)構(gòu)圖(右下)及實(shí)物圖(右上)
最后，設(shè)計(jì)優(yōu)化了探測(cè)器的各電路模塊，形成了多片層疊的電路板(圖2)，包括紋波小于1 mV 的超低噪聲負(fù)高壓產(chǎn)生電路、基于級(jí)聯(lián)開關(guān)電源和低壓差線性穩(wěn)壓器的高效率低噪聲TEC控制電路、基于 FPGA 的主控電路以及前述淬滅電路等，包括溫度、偏壓、死時(shí)間、可選外部門控等所有電路參數(shù)可調(diào)。最終探測(cè)器的整體尺寸約63 mm×54 mm×44 mm。
圖2 探測(cè)器電路實(shí)物(左下)及探測(cè)器整體實(shí)物圖(上：光纖耦合、右下：空間耦合)
課題組在1.06 μm波長(zhǎng)下對(duì)所研制的探測(cè)器進(jìn)行了性能測(cè)試，其探測(cè)效率可達(dá)30%，在室溫且散熱良好的條件下制冷溫度可達(dá)-35℃，實(shí)測(cè)功耗不足6 W。
探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率如圖3所示。探測(cè)效率20%以上時(shí)，由于短死時(shí)間時(shí)后脈沖概率較大，暗計(jì)數(shù)率隨死時(shí)間的下降上升較快，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)死時(shí)間至1 μs以上。
在10%探測(cè)效率、-30℃時(shí)，暗計(jì)數(shù)率低至0.9 kHz，且不同死時(shí)間下暗計(jì)數(shù)率的變化較小，死時(shí)間50 ns時(shí)的暗計(jì)數(shù)率僅比5 μs死時(shí)間時(shí)的暗計(jì)數(shù)率增加了27%，后脈沖概率為14.6%。
因此，該探測(cè)器的死時(shí)間低至50 ns，已接近Si基自由運(yùn)轉(zhuǎn)單光子探測(cè)器的水平，綜合性能達(dá)到水平。
圖3 不同溫度、探測(cè)效率和死時(shí)間條件下的暗計(jì)數(shù)率
展望
課題組計(jì)劃通過(guò)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減少芯片數(shù)量和供電復(fù)雜度，進(jìn)一步縮減體積和功耗，提高探測(cè)器的穩(wěn)定性。
此外，計(jì)劃開展針對(duì)不同波段、感光面大小的芯片特別是國(guó)產(chǎn)自研芯片的集成化單光子探測(cè)器的研制，提高我國(guó)的科技實(shí)力。
參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)
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