Miniaturized free-running InGaAs/InP single-photon detector (invited)

单光子探测器是弱光探测最灵敏的设备^[1-2]。近年来，随着实用化量子通信技术的飞速发展，近红外单光子探测器的研究得到了广泛关注^[3]。激光雷达作为现代光学遥感技术，具有方向性强、分辨率高等特点，已广泛应用于大气科学、环境监控、人工智能等领域。近红外二区（1.0~1.7 μm）激光具有人眼安全、大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优点^[4]。得益于通信波段已有的成熟激光器、光纤及光电器件，近红外二区激光雷达具有高性能、低成本、高稳定性和高安全性等特点，适用于大气颗粒物探测和远距离三维成像。激光雷达接收到的回波信号强度一方面随着探测距离增加而急剧减弱，另一方面由于大气的散射和吸收而进一步降低。传统的激光雷达通过提高脉冲激光功率来提升探测距离，其成本及安全性受到制约。将单光子探测器应用在激光雷达中，可极大程度上提升系统的探测距离及分辨率。

目前，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^[5]、上转换单光子探测器^[6-7]和InGaAs/InP单光子探测器^[8]。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。InGaAs/InP单光子探测器的核心器件为InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管（Single-photon Avalanche Diode, SPAD）^[9]，具有分立的吸收层、过渡层、电荷层、倍增层（Separate Absorption, Grading, Charge and Multiplication, SAGCM）的异质结结构^[10]。其中，InGaAs层为吸收层，InP层为倍增层。在进行单光子探测时，SPAD工作在施加的反向偏压高于雪崩击穿电压的“盖革模式”下。入射光子在吸收层被吸收后激发出载流子，载流子在电场作用下进入倍增层，倍增层中的强电场使载流子加速与倍增层材料原子发生碰撞电离，形成雪崩效应，最终在电极处输出宏观可观测的电流，经过电阻采样后输出雪崩信号。

InGaAs/InP单光子探测器按运行模式划分主要可以分为两类，一类是门控模式，一类是自由运行模式。门控模式适用于量子通信等光子到达时间具有周期性的应用场合。一方面，门控模式下探测器仅有部分时间处于盖革模式，可有效抑制暗计数；另一方面，应用窄脉宽的门信号可以迅速淬灭雪崩电流，减少雪崩过程产生的载流子数量，可有效抑制后脉冲效应^[11]。目前，门控型InGaAs/InP单光子探测器的工作频率已经高达GHz水平，最大探测效率可达60%左右^[12]。然而，对于激光雷达等光子到达时间具有随机性的应用场合，需要InGaAs/InP SPAD工作在自由运行模式。在SPAD一端串联大电阻形成负反馈淬灭电路是实现自由运行模式单光子探测最常用的方式^[13]，但淬灭电阻的寄生参数带来了巨大的后脉冲效应，限制了其实用性。随着负反馈雪崩光电二极管（Negative Feedback Avalanche Diode， NFAD）的提出^[14-15]，自由运行InGaAs/InP单光子探测器真正走向实用化。NFAD器件将高阻值的薄膜电阻与SPAD单片集成在一起，最大程度降低了淬灭电阻的寄生参数，从而抑制了后脉冲概率。2012年，日内瓦研究组和滑铁卢大学课题组分别报道了基于NFAD的实用化自由运行探测器系统，在探测效率10%时，暗计数率分别为600 cps^[16]和100 cps^[17]。2017年，中国科学技术大学研究组使用斯特林制冷机制冷实现四通道全集成超低噪声负反馈InGaAs/InP自由运行单光子探测器系统^[18]，并应用于米散射激光雷达实验^[19]。目前，商业化的InGaAs/InP自由运行单光子探测器产品主要有意大利Micro Photon Devices (MPD)公司的PDM-IR^[20]和瑞士ID Quantum (IDQ)公司的ID Qube^[21]。其中，ID Qube核心器件使用普林斯顿光波公司（Princeton Lightwave Inc, PLI）研发的NFAD，最大探测效率为25%，对应暗计数率6 kcps，时间抖动约150 ps。

文中报道了科大国盾量子技术股份有限公司联合中国科学技术大学研制的高性能微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器产品QCD600系列，其核心器件使用中国科学技术大学与中国电子科技集团公司第四十四研究所联合研制的具有自主知识产权的高性能NFAD，产品体积小于1 dm³，最大探测效率超过35%，相同探测效率下暗计数率仅为ID Qube的一半左右，时间抖动低至80 ps，同时内部集成了时间数字转换（Time-to-Digital Converter, TDC）功能和后脉冲修正及计数率修正算法，可有效剔除后脉冲及死时间引起的雷达信号畸变，为实用化激光雷达应用提供了有力支撑。

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。

Figure 1.  Scheme of free-running single-photon detection basic circuit

直流电压V_bias为NFAD提供反向偏置电压，在偏压链路上，R₁为雪崩电流采样电阻，R_L为NFAD器件内部集成负反馈淬灭电阻，R₂为死时间信号阻抗匹配电阻50 Ω。当发生雪崩事件时，雪崩电流在R₁上产生压降，通过交流耦合电容C₁引出雪崩信号。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（Low Noise Amplifier, 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（Discriminator, Disc）甄别转化为数字信号，送至现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array, 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（Operational amplifier, 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（Linear Technology），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。

Figure 2.  Schematic diagram of bias control and current detection circuit

FPGA通过SPI （Serial Peripheral Interface）总线控制16位DAC （Digital to Analog Converter）芯片TPC116 S4（3 PEAK Incorporated）配置升压芯片LT3482的输出电压，同时通过16位ADC （Analog to Digital Converter）芯片AD7682（ADI）采样高精度低温漂电阻R₃和R₄的分压，使用分压监测值通过FPGA反馈调节算法实现偏压维稳，可将偏压幅度随温度变化控制在小于50 mV。偏流检测是通过检测LT3482的镜像电流源输出端电流的大小来检测NFAD工作电流的大小。镜像电流I_APD的大小是LT3482输出电流的20%，I_APD经过电阻R₅转换成电压信号，再经过OPA放大后由AD7682进行采样监测，监测值减去偏压分压检测路消耗电流值即为NFAD的工作偏流。FPGA对偏流值进行阈值判断，来检测NFAD是否接收到强光信号并上报异常。当异常发生时，通过降低LT3482的输出电压，实现强光注入下的NFAD器件保护。

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（Thermo Electric Cooler, 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。

Figure 3.  Schematic diagram of cooling temperature control circuit

管夹上使用铂热电阻pt100测量NFAD处的实时温度，pt100在0 ℃时的电阻为100 Ω，在−50 ℃时的电阻约80 Ω，利用图中所示电路精确测量pt100的阻值。两路分压经OPA差分放大后使用ADC采集，ADC码与pt100温度一一对应。对比当前温度与目标温度，通过FPGA内部的数字PID算法调节DAC输出电压，控制DC/DC电源的输出电压，从而控制TEC的制冷功率，最终可使NFAD制冷温度逐步稳定至设定温度值±0.1 ℃范围内，有效保障探测器性能稳定。

另一方面，可靠的探测器产品需适应更宽的环境温度范围。当环境温度升至50 ℃甚至更高时，由于TEC制冷能力的限制，无法长期维持−50 ℃的制冷温度，探测器的性能将出现波动。通过FPGA自适应算法，调节制冷目标温度，并根据雪崩电压与温度之间的线性关系调节工作偏压值，在牺牲一定暗计数性能的条件下可使得探测效率保持不变并获得更优的后脉冲性能，同时间接避免了TEC长时间工作在极限工况下，延长了TEC及整个探测器的使用寿命。

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。

Figure 4.  Schematic diagram of TDC design based on carry chain delay

Start和stop信号分别经过缓冲器（buffer）后变为固定窄脉宽的负向信号和正向信号，start信号送入进位链中，stop信号作为锁存寄存器的时钟。每产生一个stop信号，译码器（Decoder）模块将锁存的数据Q₁ ~ Q_N编码为时间信息，对应存储至存储器（RAM）的地址位，通过地址数据读出即可完成时间信息提取。探测器设计有高速USB接口，通过对每一次探测事件的时间信息在RAM中进行累加，并通过USB接口输出每秒累加后的时间-计数率直方图，可以配合数据处理算法实现雷达信息处理、探测器性能自标定等功能。

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$ {P}_{ap}\left(i\right) $，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。在测量的原始激光雷达回波信号中，第m个bin中的雪崩计数在第n个bin处实际产生后脉冲计数的概率为：

式中：$ {P}_{ap}\left(n-m\right) $为第m个bin处的雪崩计数在第n个bin处产生后脉冲计数的概率；$ {P}_{nc}\left(m,n\right) $为第m个bin和第n个bin之间未产生探测计数的概率；$ {P}_{nap}\left(m,n\right) $为第m个bin和第n个bin之间未产生后脉冲计数的概率。$ {P}_{nc}\left(m,n\right) $与$ {P}_{nap}\left(m,n\right) $可以通过如下公式计算：

式中：R为总计数；$ count\left(m\right) $为第m个bin的计数。使用上述算法，利用预先标定的后脉冲概率分布和实时采集的TDC计数数据，求得每个bin的探测计数在之后第m个bin中产生的后脉冲计数，累加后即可得到总后脉冲计数，在TDC采集的总计数数据中减去后脉冲计数即可完成后脉冲修正。对于计数率修正，由于第m个bin中的计数count(m)是在第m–t_d个bin至第m–1个bin中没有雪崩计数的条件下产生的，其中t_d代表死时间对应的bin数目，因此可以得到：

式中：$ p\left(m\right) $表示第m–t_d个bin至第m–1个bin中发生雪崩计数的概率：

QCD600系列探测器内置单片机（Micro ControllerUnit, 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。

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。

Figure 5.  (a) Product explosion ；(b) Appearance

探测器性能标定使用衰减到单光子水平的窄脉冲光方案^[22]。对于弱相干光源，其光子数符合泊松分布，单光子探测器探测效率$ \eta $的计算公式为：

式中：$\; \mu $为平均每脉冲光子数；$ count\left(coin\right) $为符合光计数率；$ f $为脉冲光重复频率。实际测试中，$ \;\mu $为1，$ f $为50 kHz，NFAD的制冷温度为−45 ℃，死时间设置为5 μs。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。

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。

Figure 6.  Detection efficiency-dark count rate curve

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。

Figure 7.  Detection efficiency-time jitter curve

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。

Figure 8.  LiDAR product using QCD600 series single-photon detector

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。

Figure 9.  Comparison of LiDAR data before and after correction

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。