微型化自由运行单光子探测器的设计实现
单光子探测器具有最高的光探测灵敏度，在激光雷达（lidar）系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区（1.0 ~ 1.7 μm）激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势，是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。近红外波段单光子探测技术主要包括超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器和ingaas/inp单光子探测器。其中，ingaas/inp单光子探测器具有体积小、低成本、易于系统集成和良好的综合性能指标等优势，是实用化1.5 μm激光雷达的最佳选择。
据麦姆斯咨询报道，近期，科大国盾量子技术股份有限公司、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院和山东国耀量子雷达科技有限公司的联合科研团队在《红外与激光工程》期刊上发表了以“微型化自由运行ingaas/inp单光子探测器”为主题的文章。该文章第一作者为蒋连军高级工程师，主要从事单光子探测器、量子通信方面的研究工作；通讯作者为方余强中级工程师，主要从事单光子探测器、量子通信方面的研究工作。
本研究研制了一种基于ingaas/inp负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。
自由运行单光子探测器的设计实现
qcd600系列使用nfad器件实现自由运行单光子探测的基本电路原理如图1所示。
图1 自由运行单光子探测电路原理图
由于nfad器件的雪崩时间非常短，仅为百皮秒量级，使得原始雪崩信号的幅度仅为1~2 mv。通过级联的低噪声放大器（lna）将雪崩信号放大40 db后，幅度提升至100~200 mv，再经过甄别器（disc）甄别转化为数字信号，送至现场可编程逻辑门阵列（fpga）进行后续处理。nfad器件的性能受温度影响较大，一般通过低温制冷以获得更低的暗计数率。但在低温下，雪崩后被俘获载流子的寿命也变得更长，导致更高的后脉冲概率。在探测到每次雪崩事件后，通过fpga主动设置一段长度可调的死时间（hold-off），可以在牺牲一定饱和计数率的条件下有效抑制后脉冲效应。从fpga输出的死时间信号电平一般仅为3.3 v，通过运算放大器（opa）将其幅度提升至6 v以上，以适配过压接近于5 v时nfad两端偏压低于雪崩击穿电压的需求。当应用死时间信号于nfad阳极时，由于nfad为容性器件，死时间信号的前后沿将在nfad阴极产生尖锐的微分响应信号，特别是后沿的负向微分信号与雪崩信号方向一致，为了避免误甄别，通过fpga输出与死时间信号同相位但略长一些的锁存信号（latch）给带有锁存功能的甄别器，使得微分信号出现时甄别器为锁存状态，滤除微分信号的影响。下面详细介绍偏压控制与偏流检测、制冷温度控制、tdc功能及后脉冲修正算法等实现方案。
偏压控制与偏流检测
偏压直接决定了单光子探测器的性能指标，其稳定性至关重要。由于nfad器件的雪崩击穿电压一般在50~80 v，选用dc/dc升压芯片lt3482，其最高输出电压可达90 v，具有电流镜像输出管脚，便于监测偏流以实施强光保护。偏压控制与偏流监测电路原理如图2所示。
图2 偏压控制与偏流检测电路原理图
制冷温度控制
温度是单光子探测器性能指标的另一个决定性因素。qcd600系列的nfad器件采用带光纤耦合的to-46封装，通过设计管夹及制冷盒，使用半导体制冷器（tec）提供制冷，在环境温度30 ℃下nfad器件的制冷温度最低可至−50 ℃，可有效抑制暗计数。制冷温度控制电路原理如图3所示。
图3 偏压控制与偏流检测电路原理图
tdc功能
在激光雷达系统中，光子飞行时间的测量是非常重要的一环，且时间测量的精度直接决定了激光雷达的距离分辨率。在探测器中集成高精度tdc功能，可以有效提升激光雷达系统集成度和性能表现。qcd600系列探测器具备外部输入触发信号接口，信号接入后经过甄别送入fpga作为tdc的开始（start）信号，而在探测器内部，探测信号直接送入fpga作为tdc的结束（stop）信号。在fpga内通过进位延迟链时钟内插技术，一方面，使用时钟计数的方式测量粗时间，以实现10 ns粗时间间隔，100 μs量程；另一方面，利用进位链最低100 ps的传输延时，通过延时链内插法实现精细时间测量，最终组合实现宽范围、高精度的时间测量。基于进位延时链的细时间测量设计原理如图4所示。
图4 基于进位延时链的tdc设计原理框图
后脉冲修正及计数率修正算法
由于材料的杂质和缺陷浓度较高，ingaas/inp单光子探测器通常具有较大的后脉冲效应，需要增加死时间来抑制后脉冲。在动态范围要求较高的单光子激光雷达应用中，后脉冲和死时间都会引起雷达回波信号的畸变，需要通过后处理算法修正来恢复原始回波光信号的分布。单个雪崩信号在后续时间内引发后脉冲计数的概率分布pap(i)，可以在标定过程中通过输入窄脉冲光，使用tdc的时间-计数分布计算得出，其中i代表时间-计数分布的横轴时间bin序号。
qcd600系列探测器内置单片机（mcu），使用上述算法专用于tdc数据的后脉冲修正及计数率修正。fpga将实时的tdc数据由ram传输至mcu，mcu通过usb接口对外输出算法修正后数据，实现实时的数据后处理。
探测器结构
qcd600系列探测器包含主控板、制冷盒、散热器、风扇以及产品外壳，产品爆炸图及外观如图5所示，产品长宽高为116 mm × 107.5 mm × 80 mm，体积小于1 dm³，作为对比id qube的长宽高为95 mm × 95 mm × 95 mm。其中制冷盒使用光纤堵头点胶及平行封焊技术，确保气密性，保证产品的可靠性。
图5 （a）产品爆炸图；（b）外观
探测器性能指标测试
探测器性能标定使用衰减到单光子水平的窄脉冲光方案。对于弱相干光源，其光子数符合泊松分布。首先，核心nfad器件的响应波长范围为900~1700 nm，针对雷达应用中常用的1550、1310、1064 nm分别进行测试，以1550 nm探测效率25%为参考，测试结果如表1所示。
表1 不同波长下的探测效率
其次，测试1550 nm波长下探测效率-暗计数率曲线，如图6所示。15%探测效率时，暗计数率最低可至250 cps；25%探测效率时，暗计数率仅1 kcps。
图6 探测效率-暗计数率曲线
最后，测试探测效率-时间抖动曲线，如图7所示。可以看出，探测效率越高，时间抖动越小。在探测效率35%时，最低时间抖动可至80 ps。
图7 探测效率-时间抖动曲线
探测器在雷达中的应用
单光子探测器替代传统光电探测器应用于激光雷达系统中，可有效提升探测距离和分辨率。得益于多模光纤耦合接口，集成的tdc功能和实时后脉冲、计数率修正算法等优势，qcd600系列探测器在1550 nm大气气溶胶激光雷达中的应用，极大地提升了激光雷达系统的集成度、降低了成本。图8展示的是国耀量子雷达科技有限公司使用qcd600系列单光子探测器的小型化激光雷达产品，其单脉冲能量仅需75 μj，最远探测距离可达15 km，距离分辨率低于30 m，可适应−25~40 ℃工作环境温度。作为对比，传统的商用气溶胶激光雷达难以实现10 km以上的探测距离。
图8 使用qcd600系列单光子探测器的激光雷达产品
图9展示了该激光雷达产品使用qcd600系列单光子探测器采集的激光雷达信号，在实施后脉冲、计数率修正前后的数据对比，修正有效降低了探测器后脉冲和死时间所引起的雷达信号畸变。
图9 激光雷达信号修正前后数据对比
结论
qcd600系列微型化自由运行ingaas/inp单光子探测器为激光雷达系统提供了紧凑的近红外波段高效率、低噪声、低时间抖动并实时数据后处理的单光子探测解决方案。未来的自由运行单光子探测器产品将面向使用集成制冷技术的更小型化方向以及使用深度制冷技术的超低噪声方向发展，为激光雷达、qkd等应用提供更为有力的技术支撑。
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图2 偏压控制与偏流检测电路原理图
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