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(shè)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(tǒng)應用需求，提高其在系統(tǒng)應用中的便利性和可靠性。

　　創(chuàng)新研究

　　課題組通過對探測器進行多方面的設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)了高性能、小體積、低功耗的目標。首先，課題組設(shè)計了元件數(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數(shù)率。

　　為了在實現(xiàn)快速淬滅的同時保證電路在微型化后復雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)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(shè)置的雪崩鑒別電平，提高了淬滅速度。

　　其次，在設(shè)計的電路的基礎(chǔ)上，將平衡電路、測溫電阻PT1000、熱電致冷片(TEC)和 SPAD 芯片等關(guān)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(huán)境和分布參數(shù)，提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性。

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

　　最后，設(shè)計優(yōu)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(chǎn)生電路、基于級聯(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、死時間、可選外部門控等所有電路參數(shù)可調(diào)。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(shù)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(shù)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(shù)率低至0.9 kHz，且不同死時間下暗計數(shù)率的變化較小，死時間50 ns時的暗計數(shù)率僅比5 μs死時間時的暗計數(shù)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(zhuǎn)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(shù)率

　　展望

　　課題組計劃通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減少芯片數(shù)量和供電復雜度，進一步縮減體積和功耗，提高探測器的穩(wěn)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(chǎn)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(wǎng)

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