关于InGaAs/InP, 基于APD技术的单光子探测器,应用于通讯波段。通讯波段一般常用的O band,波长为1310nm附近(1260-1360nm), C band中心波长在1550nm(1530-1565nm),在这个波段光纤的衰减是最小的。 InGaAs/InP,基于APD技术的探测器响应范围覆盖900-1700nm,因此可以应用于通讯波段的应用。尽管单光子探测的原理和可见光波段SPAD的技术是相似的,但性能上确存在比较大的差别。

  1. 雪崩二极管

    SPAD单光子探测器的主要元器件为雪崩二极管(avalanche photodiode)。在电子学中,二极管是一种具有不对称传输特性的双端电子元件,在一个方向上对电流具有低(理想为零)电阻,在另一个方向上具有高(理想为无限)电阻。半导体二极管,今天最常见的类型,是一种晶体半导体材料,其P-N结连接到两个电端子。二极管最常见的功能是允许电流在一个方向(称为二极管的正向)通过,而阻止电流在相反的方向(反向)。光电二极管是一种光电探测器,能够根据工作模式将光转换成电流或电压。光电二极管与普通半导体二极管类似,只是它们可以暴露在外,或者通过窗口或光纤连接进行封装,以允许光到达器件的敏感部分。许多专门用作光电二极管的二极管使用PIN结而不是p-n结来提高响应速度。光电二极管被设计成在反向偏压下工作。

图1: 光电效应

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度半导体器件,利用光电效应(图1)将光转换成电的电子装置。APD可以看作是通过雪崩倍增提供内置第一级增益的光电探测器。通过施加高的反向偏压,由于碰撞电离(雪崩效应),APD显示出内部电流增益效应。一般来说,反向电压越高,增益越高。对于APD,反向电压总是低于击穿电压,APD对单光子的探测不够灵敏。二极管的击穿电压是使二极管反向导通的最小反向电压。

单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为盖革模式APD、光子计数器、SPAD或单光子探测器)是一类具有反向偏压p-n结的固态光电探测器,其中光生载流子可因碰撞电离机制触发雪崩电流。SPAD能够探测到低强度信号(低到单个光子)。SPAD和APD的根本区别在于SPAD是专门设计用来在远高于击穿电压的反向偏置电压下工作的(相反,APD在低于击穿电压的偏置电压下工作)。这种操作在文献上也被称为盖革模式,与盖革计数器类似。

2. 单光子探测器的原理

图2:APD的I-V(电流-电压)特性
这种模式也被称为盖革模式。APD有过大的偏电压,高于击穿值VBr,并且处于亚稳态(A点)。它保持在这个状态,直到一个主要的电荷载体被创建。在这种情况下,放大实际上是无限的,即使是单光子吸收也会导致导致宏观电流脉冲(A点到B点)的雪崩,可由适当的电子电路容易地检测到。
该电路还必须限制流过装置的电流值,以防止其损坏,并熄灭雪崩以重置装置(点B至C)。经过一段时间后,多余的偏压恢复(C点到A点),APD再次准备好检测单个光子。击穿电压的实际值取决于半导体材料、器件结构和温度。对于InGaAs/InP型APD,一般在50V左右,其探测效率和盖革模式下APD的噪声取决于过大的偏置电压。

3. 专用术语

a) Detection Efficiency 探测效率

描述了雪崩光电二极管APD在单光子探测模式下的性能。
主要靠它的探测效率。这个数量相当于光子撞击被探测的概率。
在要检测的光电二极管上。InGaAs-SPAD的探测效率由两个因素得出
不同因素:
-光子被InGaAs层吸收的概率
-光产生的载体在穿越倍增区并在输出端产生电流
在基于光纤的单光子探测器中,光纤和二极管感光区域之间可能存在一些耦合损耗。
为了补偿这一点,偏置电压稍微增加以便获得相同的检测效率。这会略微增加暗计数率。
当过偏压升高时,量子探测效率增加。在1550nm处,InGaAs/InP光电二极管的探测效率通常高达25%。一般来说,对于InGaAs/InP光子计数模块,探测效率是可调的。本文将探测效率(Detection efficiency)、量子探测效率(quantum detection ifficiency)和探测概率(detection effciency视为同义词。
图3: InGaAs/InP探测器典型探测效率
b) 暗计数Dark counts
在SAPD中,雪崩不仅是由光子的吸收引起的,而且还可以由结中发生的热、隧道或俘获过程中产生的载流子随机触发。它们会产生称为暗计数的自我触发效应。
减少暗计数的最简单方法是冷却探测器。这减少了热产生载流子的发生。因此,在低温下,暗计数主要由带间隧穿和更重要的俘获电荷产生的载流子所控制。提高过大的偏置电压可以增加暗计数的发生,提高检测效率,减小定时抖动。因此,必须根据偏压仔细选择操作点。
在门控模式下,人们通常将此效应量化为每纳秒门持续时间的暗计数概率。
Example: Dark counts in [Hz]: 1’350 counts gate width: 20 [ns] trigger rate: 10 [MHz]

Dark counts in ns of gate = 1’350 / (20 x 10’000’000) = 6.75E-06

c) 后脉冲效应 afterpulses

限制InGaAs/InP器件性能的主要问题可能是通过所谓的后脉冲提高暗计数率。这种杂散效应是由于在碰撞电离发生的结的高场区内陷阱能级引起的雪崩过程中电荷载流子的俘获而产生的。当随后释放时,这些被捕获的载流子可以触发所谓的后脉冲。对于InGaAs/InP有源器件,陷阱电荷的寿命一般为几μs。这些事件的概率也与填充陷阱的数量成正比,而填充陷阱的数量又与淬火发生前雪崩中穿过结的电荷成正比。通过确保雪崩的迅速冷却,可以限制总电荷。

还需要注意的是,降低APD的工作温度可以提高陷阱电荷的寿命。因此,必须仔细选择冷却温度,以最小化总暗计数概率(包括后脉冲)。对于现有的InGaAs/InP SPAD,最佳温度通常在220k左右。

到目前为止,减少后脉冲引起的暗计数增强的技术是使用死区时间。如果在检测事件之后,SPAD上的电压在超过陷阱寿命的时间间隔内保持在击穿电压以下,陷阱电平为空,不会触发雪崩。对于InGaAs/InP SPAD,典型的捕获时间在μs范围内。使用死区时间(=电压不高于击穿电压的时间)抑制栅极的时间比每次雪崩后的陷阱电荷寿命长,证明是有用的。当触发频率为100MHz时,两个门之间的时间间隔为10ns。因此,1秒的死区将抑制下一个100个门,最大计数率将被限制在1 MHz。这在门控模式下有效。在自由运行模式下,死区时间还将限制死区结束后的计数率,您将能够无限期地检测光子,直到创建主电荷载波。

d) 时间分辨率 time resolution

在许多应用中,探测器的时间分辨率(time resolution)或抖动(jitter)也很重要。抖动是对假定周期信号的真实周期性的不期望的偏差。在这种情况下,对于周期性到达的光信号,它是探测器的电输出信号的时间变化。定时性能通常随着过量偏置电压的增加而改善。为了量化它,人们向探测器发送短而弱的光脉冲。然后,雪崩脉冲开始的传播被时间到数字转换器(TDC)监控。在30%的探测效率下,InGaAs/InP spad的典型时间分辨率为115ps/FWHM。

图4:InGaAs/InP ID221&ID230时间抖动

4. 模拟和盖格模式

Avalanche mode(linear modes)雪崩模式(线性模式)
雪崩光电二极管(APD)工作在所谓的模拟模式(analog mode)下。这意味着施加在二极管上的偏压总是低于击穿电压。输出信号与入射光强度是成比例的。模拟模式下的APD对探测单个光子不够敏感。
Single photon avalanche mode盖格模式(Geiger mode)
IDQuantique的产品ID100,ID120,ID210,ID221和ID230是基于SPAD(单光子雪崩二极管)的模块。SPAD(单光子雪崩二极管)也称为光子计数器。他们是在数字模式下工作,也称为盖革模式。这意味着施加在二极管上的偏压高于击穿电压。
当探测到一个光子时,它会产生一个雪崩,雪崩必须被熄灭,这意味着偏置电压低于击穿电压,以便停止(熄灭)雪崩,然后再恢复偏压至击穿电压以上的电压使其再次敏感。

探测器只有在偏压高于击穿电压时才灵敏。输出信号与入射光强度不成正比。SPAD的灵敏度足以探测单个光子!

图5:Avalanche mode (线性)vs盖革模式

8. 光子探测效率

Free running mode自由运行模式
只有在雪崩发生后,偏置电压才会在很短的时间内降到击穿电压以下,称为死区时间,以便熄灭雪崩。在所有其他时间,偏压高于击穿电压,SPAD状态为ON。
当探测到光子或暗计数后SPAD中发生雪崩时,捕获电子学会感测到雪崩。在装置的检测输出端产生一个脉冲,并且淬火电子装置停止雪崩。为了限制后脉冲,SPAD偏置电压保持在击穿电压以下(SPAD状态为OFF),直到死区时间结束。

自由运行模式对于光子到达时间未知的应用非常方便。

图6:自由运行模式
以IDQuantique产品为例,用户可以为InGaAs/InP设备设置死区时间:
ID210从0.1us到100us
ID221从1us到25us
ID230从2us到100us
Gated mode门控模式
为了降低暗计数率,SPAD只能在短时间内偏置在击穿电压以上。这段时间(=持续时间)称为门控时间,可通过外部或内部触发器调节宽度和频率。
探测器只在门控期间敏感。因此,门控模式用于光子到达时间已知的应用。此模式显著降低暗计数率。
如果门没有打开或者应用了死区时间(在先前的检测之后),光子将不会被检测到。
当由于检测到光子或暗计数而在栅极内发生雪崩时,在检测连接器处输出脉冲。淬火电子器件关闭栅极,并且可以施加死区时间,从而产生一个或多个消隐脉冲。
图7:门控模式
图8:自由运行模式 VS 门控模式
9. 后脉冲效应的还原恢复使用死时间
每次检测(实际光子或暗计数)后应用死区时间。如果SPAD上的电压在足够长的时间间隔内(即超过陷阱寿命)保持在击穿电压以下,陷阱电平为空,并且不能触发雪崩。InGaAs/InP SPAD的典型陷阱时间在μs范围内。
图9:暗计数VS死区时间-不同探测效率
当光子到达InGaAs/InP光电二极管并产生雪崩时,必须在猝灭(停止雪崩)后应用死区时间。由于死区时间(在光电二极管上不施加电压的时间),载流子和空穴的数量显著减少,因此避免了很高的后脉冲概率:如果太多载流子被困在光电二极管中,下一个栅极将打开或死区时间结束时,可能会发生新的雪崩,您将有一个计数为后脉冲(=噪声)。
如果你使用短死区(或没有死区),你将有大量的后脉冲。你可能会觉得你有很高的计数率和量子效率,但这只是噪音。
请参见图10,具有不同死区时间的“计数率与触发率”曲线的形状。你清楚地看到了死亡时间的影响。
关于后脉冲率。举例来说,当触发频率高于1MHz时,5μs的死区时间对后脉冲率有显著影响。请注意,死区时间降低了后脉冲率,但也减少了来自光的检测次数。
图10:光子计数率 VS 触发频率

7. 名义上及有效的门宽

在下面的时序图中,考虑到不同电子级的转换率,显示了一个实际的计时表(电子级的传输时间被假定为可以忽略不计)。可以注意到门控制信号宽度与门输出信号宽度不同。更重要的是,门控制信号宽度(用户应用的宽度)大于有效门宽度。当过偏置电压即效率提高时,所施加的门宽度与实际门宽宽度之差减小。注意,这种效果也可以通过使用时间到数字转换器(TDC)在暗计数的内存中建立直方图来观察。
根据这个简单的解释,我们可以得出结论:
-用户施加的门控宽度与有效门控宽度之间存在差异,
-小门控宽度的设置可能导致峰值效率低于当前设置水平,或者根本没有效率(可能在低的过偏置电压下),
-为ID210指定的暗计数率通过测量1ns的半高宽有效门宽度进行了公平评估。必须注意,在门控制信号宽度远大于有效门宽度的情况下,表示为每ns的门控制信号宽度的暗计数率将被显著低估。

最后请注意,有效门宽的收缩也可以在雪崩电流积累持续时间中找到解释。

图11:名义上门宽VS有效门宽

8. 光子探测效率

图12:光子探测效率的线性度

门控模式 gated mode

使用光子计数器时,可以很容易地使设备饱和:
-如果使用平均每脉冲发送2个光子的激光源,则计数率将是平均每脉冲发送1个光子的计数率的两倍;这就是所谓的光子计数器的线性。
-如果SPAD上没有发送光信号,那么检测率就是暗计数率。
在饱和区和暗计数率区之间,探测器是“线性的”:探测器的计数率与到达SPAD的光子数成正比。注意:这仅在应用了死区时间时有效(参见第6节“使用死区时间减少后脉冲”)。
自由运行模式Free-running mode
这与门控模式非常相似,只是饱和区域由您的死区时间定义:

对于5μs死区时间,最大计数率为1 /5μs=200 kHz=>饱和。

9. 可见光波段单光子探测

可见光波段SPAD基于硅器件(可见波长350-900nm),通常没有可调的量子效率。
例如,硅光子计数器ID100的死区时间为45ns,且不可调。
对于硅器件来说,捕获时间在几十纳秒的范围内,后脉冲几率很低。

硅器件具有较低的抖动,ID100的抖动低至45ps,并且通常仅在自由运行模式下工作。

图13:可见光SPAD探测效率
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