基于InGaAs（P）/InP单光子雪崩光电二极管的微型单光子探测模块研究

作     者：许伊宁 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永富;刘俊良

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 0803[工学-光学工程] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：雪崩光电二极管 近红外 单光子探测器 自由运转 微型化 

摘      要：激光雷达已经在测绘、自动驾驶和遥感等领域得到了广泛应用。在高性能激光雷达系统中,通过引入单光子探测技术,可以降低主动照明的功率,有效降低载荷重量和功耗,增大工作距离。不同的应用场景对于单光子探测器的性能、工作条件、体积功耗等需求差别很大。为满足无人平台等体积受限系统的集成化单点或多波束激光雷达应用需求,本论文研制了基于InGaAsP/InPSPAD的微型化单光子探测器,并对其性能进行测试和分析。并开展了基于国产InGaAsP/InPSPAD的双通道集成化自由运转单光子探测器研究,以实现更高集成化的探测部件,提高其在激光雷达领域的易用性。主要的研究内容如下:为克服因雪崩光电二极管自身分布电容和结电容的存在而产生的微分干扰信号,设计了电容平衡法。通过在平衡电路部分添加RC电路,实现过平衡,增加了到达雪崩比较器反向输入端的尖峰脉冲的幅度和时长,使整个电路对尖峰脉冲噪声残余的容限大幅提高。降低了噪声弛豫时间外可设置的最低雪崩鉴别电平,鉴别电平由5.8 mV降至2.4mV,在有效降低雪崩脉冲持续时间的同时,进一步提高探测器对微弱雪崩信号的提取效率。为减小SPAD的淬灭时间,使探测器获得较好的性能,设计了超低延时的主动淬灭主动恢复电路,淬灭延迟降至400ps,与之前相比降低了约20%。成功研制的基于InGaAsP/InP SPAD的自由运转单光子探测器,对于波长为1060 nm的光波,在温度为-30℃、探测效率为20%、死时间为1μs的条件下,后脉冲概率仅为11.8%,暗计数率约为2～5 kHz,最短死时间为50 ns,最大探测效率可达30%,综合性能超过了当前其他基于InGaAsP/InP SPAD的自由运转式单光子探测器。为实现探测器的微型化,使其在可移动载具上的应用更加便携和稳定。通过优化SPAD的集成封装,将平衡电路、测温电阻、TEC和SPAD芯片等关键部件集成封装。优化的封装结构使SPAD和平衡电容线路共享相似的电磁环境和分布参数,并将探测器的功耗由以往的约60 W降低至约6 W,实现探测器的低功耗化,最低制冷温度可达-35℃。探测器的整体尺寸降至63 mm×54 mm×44 mm,为当前国际上已知的最小体积的同类探测器。为实现多元探测器的高性能和集成化,让其更适用于系统体积受限条件下的多波束激光雷达应用,研制了基于国产InGaAs(P)/InP SPAD的集成化双通道单光子探测器。通过优化探测器的恢复电路和雪崩提取电路,设计新型的制冷控制技术,设计新型的电路板,将探测器的电路模块尺寸降至44 mm×28 mm。探测器可用死时间为100ns,在-30℃、探测效率约11.4%,死时间1μs条件下,后脉冲概率约为18.7%,暗计数率约20 kHz,两个通道的探测器能同时进行良好探测。