小體積,高性能—集成型近紅外單光子探測器助力激光雷達應用

　　研究背景

　　在遠距離高性能激光雷達應用中，目標的回波光信號往往十分微弱。使用單光子探測器可大大降低激光器的功率要求，大幅提高有效探測距離。

　　而在航天器、無人機等平臺上使用的激光雷達除要求探測距離遠外，還需要體積小、重量輕、功耗低。因此，需要通過集成化、模塊化的設計方法，在保證探測器高性能的前提下降低探測器的體積和功耗，以滿足條件苛刻的系統應用需求，提高其在系統應用中的便利性和可靠性。

　　創新研究

　　課題組通過對探測器進行多方面的設計優化，實現了高性能、小體積、低功耗的目標。首先，課題組設計了元件數少、結構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百uA，約1 ns，從而獲得了更低的后脈沖概率和暗計數率。

　　為了在實現快速淬滅的同時保證電路在微型化后復雜的電磁環境中穩定工作，課題組通過在平衡電容電路中增加額外的RC電路(Rd2Cd2)，增加了到達雪崩比較器反向輸入端的尖峰脈沖的幅度和時長，使整個電路對尖峰脈沖噪聲殘余的容限大幅提高，同時降低了可設置的雪崩鑒別電平，提高了淬滅速度。

　　其次，在設計的電路的基礎上，將平衡電路、測溫電阻PT1000、熱電致冷片(TEC)和 SPAD 芯片等關鍵部件進行集成封裝，如圖一(右)所示，不僅減小了探測器的整體體積，還使 SPAD 和平衡電路共享相似的電磁環境和分布參數，提高了抗干擾能力和穩定性。

　　圖1 單光子探測器電路(左)、SPAD集成制冷封裝結構圖(右下)及實物圖(右上)

　　最后，設計優化了探測器的各電路模塊，形成了多片層疊的電路板(圖2)，包括紋波小于1 mV 的超低噪聲負高壓產生電路、基于級聯開關電源和低壓差線性穩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、死時間、可選外部門控等所有電路參數可調。最終探測器的整體尺寸約63 mm×54 mm×44 mm。

　　圖2 探測器電路實物(左下)及探測器整體實物圖(上：光纖耦合、右下：空間耦合)

　　課題組在1.06 μm波長下對所研制的探測器進行了性能測試，其探測效率可達30%，在室溫且散熱良好的條件下制冷溫度可達-35℃，實測功耗不足6 W。

　　探測器的暗計數率如圖3所示。探測效率20%以上時，由于短死時間時后脈沖概率較大，暗計數率隨死時間的下降上升較快，實際使用時應適當延長死時間至1 μs以上。

　　在10%探測效率、-30℃時，暗計數率低至0.9 kHz，且不同死時間下暗計數率的變化較小，死時間50 ns時的暗計數率僅比5 μs死時間時的暗計數率增加了27%，后脈沖概率為14.6%。

　　因此，該探測器的死時間低至50 ns，已接近Si基自由運轉單光子探測器的水平，綜合性能達到水平。

　　圖3 不同溫度、探測效率和死時間條件下的暗計數率

　　展望

　　課題組計劃通過優化電路結構，減少芯片數量和供電復雜度，進一步縮減體積和功耗，提高探測器的穩定性。

　　此外，計劃開展針對不同波段、感光面大小的芯片特別是國產自研芯片的集成化單光子探測器的研制，提高我國的科技實力。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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