撰稿人：梁焰
单位：上海理工大学
龙耀强, 单晓, 武文, 梁焰. 基于InGaAs/InP低噪声GHz单光子探测器研究（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220901. doi: 10.3788/IRLA20220901
近年来， InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）体积小、功耗低、响应速度快，被广泛应用于近红外单光子检测。基于InGaAs/InP材料的雪崩光电二极管（APD）已成为高速光通信和光学雷达等领域中的重要探测器件之一。相比于传统的光电二极管，雪崩光电二极管具有更高的增益和更低的噪声，能够实现高灵敏度和高速度的信号检测和放大。因此，它们被广泛应用于光通信系统中的高速接收机、光纤传感器和光学雷达等领域。由于其高速度和高灵敏度，这种探测器可以被广泛应用于通信、测量和成像等领域。例如，在光通信系统中，它可以用于接收高速光信号，并实现高速数据传输。在光学测量中，它可以用于测量微弱的光信号，并实现高精度测量。在成像领域，它可以被用于制造高分辨率的红外相机，用于航空航天、医学和军事等领域。
InGaAs/InP材料具有优良的光电性能和化学稳定性，特别是在红外光谱范围内，其光电探测器具有非常高的量子效率和快速响应速度。在雪崩光电二极管中，当光子通过InGaAs材料时，它们会与半导体晶格中的载流子相互作用，并将它们加速到足够高的能量，以激发电离过程并产生电子-空穴对。这些电子-空穴对会在高电场的作用下经历雪崩效应，从而增加载流子密度和电流，实现信号放大。虽然InGaAs/InP雪崩光电二极管具有许多优点，但它们也存在一些挑战和限制。例如，雪崩效应可能会导致热噪声和暗电流的增加，从而降低探测器的信噪比和灵敏度。随着通信技术的不断发展，高速、高灵敏度、高分辨率的光电探测器对于通信系统和光学测量等领域的需求越来越迫切。在这些应用通信、测量和成像等领域中，特别是在通信领域，要求探测器的工作频率高达数GHz，因此基于GHz的InGaAs/InP雪崩光电二极管的研究变得尤为重要。InGaAs/InP APD通常工作在盖革模式下来响应单个光子。单个载流子触发产生的自持雪崩无法自然停止，为了再次响应光子信号，需要快速将APD加载的偏压降低至雪崩以下，对其抑制后恢复到探测模式。雪崩过程中，倍增层部分载流子被其中的缺陷及杂质捕获，随后在不可预期的时间点由热激发释放出来触发雪崩，即后脉冲。GHz门控信号加载到APD时能够快速实现雪崩和淬灭的效果，提升了探测速率，同时有利于降低载流子数量，从而降低后脉冲。然而，随着工作速率的提升，一方面门控信号在APD上产生的容性噪声增大，APD雪崩持续时间变短导致有效光生信号变小，探测器信噪比变低；另一方面，APD冷却时间变短，光生载流子无法得到充分释放，探测器误计数增大。因此高速门控的关键技术就是从较大的容性响应微分信号中提取微弱的雪崩信号。
图1（a）系统设计图；（b）尖峰噪声图；（c）低通滤波级联下提取信号图
我们提出低通滤波技术，采用截止频率低于门控信号基频的低通滤波器，滤除高频尖峰噪声信号的同时尽可能多地保留有用的低频雪崩信号。为了保障探测器的信噪比，我们采用了低通滤波级联方案，噪声抑制比超过40 dB。APD的响应带宽约为2.3 GHz，实验中我们设计了1.0~2.0 GHz门控系统方案。我们对门控信号做了精密的调控，包括重复频率、幅度、延时等，在温度控制模块加入反馈来提高稳定性。对于各个模块，我们采用板级集成来缩小尺寸，并用上位机来实现对APD的性能表征，可以快速记录GHz探测频率、APD输出计数、温度等参数指标。量子探测器层析（QDT, quantum detector tomography）省去了传统“自下而上”的标定方法。将量子探测器视为“暗箱”，由已知的输入态和测量得到的输出结果来获得正定算子取值测度（POVM，positive operator-valued measure）矩阵，可全面表征探测器。为了更完整的描述探测器的量子特征，我们引入量子探测器层析技术进行标定，重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数，为其在量子通信、量子计算等量子信息技术的应用中提供支撑。
GHz低噪声的InGaAs/InP探测器具备更高的探测速率，更低的噪声。分析APD的响应带宽后，确定门控频率适合在1~2GHz。采用了正弦门控结合低通滤波级联方案，实现了2 GHz以下低噪声单光子探测。低通滤波级联方案在高速门空中，信号提取的明显，噪声抑制比在40dB以上。此外，我们还引入量子层析技术对探测器进行了标定，验证了其量子特性。该探测技术结构简单，能够长期稳定运行，为单光子探测器在深空通信、激光测绘、光时域反射等领域的实用化提供有力支撑。
量子探测技术团队由梁焰博士带头，拥有多名模拟及数字信号集成电路设计人员，在近红外探测器领域开展研究。团队具备雪崩信号读取和读出电路的能力，建立了近红外测距、成像等体系，在此基础上研制出一系列近红外探测器组件，准单光子光源产品等，已在红外测距、成像系统中实现工程应用。
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