学文网摘要：单光子探测技术能够有效提高系统的精度和探测效率。在空间激光通信系统中，入射光场强度十分微弱，几乎到达光子量级，一般的光电探测器所探测到的信号这时就会被噪声所干扰甚至淹没，而单光子探测技术则是用来测量这种极微弱的光信号。基于门控的InGaAs/InP 雪崩光电二极管的单光子探测技术有后脉冲概率低，时间抖动小，计数率高的特点。为了抑制门控充放电噪声提取微弱雪崩信号，本文介绍了国内外基于门控探测的InGaAs/InP APD的主要几种方案：放电脉冲探测技术、正弦门控滤波技术和差分平衡探测技术。总结了单光子探测近年来的发展与应用，最后对该技术的前景进行了展望。
关键词：单光子探测；空间激光通信；雪崩二极管；后脉冲概率
中***分类号：O572 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2017）01（a）-0000-00
激光测距由于其具备精准、快速的特点，并随着光电技术的持续进步，已在工业控制、***事遥感以及空间光通信等多领域发挥着重要的作用。其中，除了传统的脉冲测距技术外，一些新的测距方案不断地被提出，如基于光子计数系统的单光子探测技术，通过提高对单个光子信号的探测效率及抑制噪声的方式从而提高系统的测距精度。在单光子测距中，单光子探测器的时间抖动和激光脉冲宽度决定了测距系统的精度。近年来，大功率皮秒激光器发展迅速，因此单光子探测器的时间抖动成为影响单光子测距系统分辨精度的主要问题。而采用InGaAs材料做吸收层、InP材料做倍增层，可以实现近红外波段光子信号的探测，基于InGaAs/InP APD的单光子探测技术发展成为当前最实用的近红外单光子探测器[1]。
1单光子雪崩二极管的理论模型
雪崩光电二极管主要是利用器件中的载流子碰撞电离而引发雪崩效应来实现对光子的探测，如***1所示二极管的原理示意***。当其工作在击穿电压以下时会发生载流子的碰撞电离，但这一碰撞电离还不足以引发雪崩效应，此时器件的输出电流与入射光子数成线性比例，这时候称之为线性模式。当单光子雪崩二极管的反向偏置电压高于雪崩击穿电压时，耗尽区中的单个载流子就会产生连锁的碰撞电离反应，从而引发雪崩效应，此时称之为盖格模式。
单光子雪崩二极管器件的原理主要是载流子的碰撞电离，在这里我采用最基本的 - - 器件来对碰撞电离加以说明，如***2所示。 - - 器件工作在反向偏置电压下，其空间电荷主要集中在 区，厚度为 ， 区材料的电子和空穴的碰撞电离系数分别为 和 （碰撞电离系数与空间电荷区电场强度相关，其表示在单位距离上发生碰撞电离的次数）。考虑在空间电荷区 处因光吸收或热效应产生一电子空穴对，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向漂移。在经过 的距离后，电子和空穴分别产生 和 次的碰撞电离，这些碰撞电离产生的载流子在电场的作用下运动一段距离获得足够能量又能产生新的碰撞电离，该过程不断重复，直至电子和空穴漂移出空间电荷区。我们用 来表示 区 处的一个电子空穴对所引发的平均碰撞电离次数，那么有[2]：
2 InGaAs/InP APD的种类与性能指标
目前针对InGaAs/InP APD主要有三种雪崩抑制模式：被动抑制、主动抑制和门控探测。被动抑制增大了雪崩光电二极管的死时间，严重减小了探测器的最大计数率，而主动抑制则因为抑制电路过于复杂，信号级联容易发生发射，门控探测模式目前在单光子探测中应用最为广泛。门控探测模式可以有效减小后脉冲，同时暗噪声计数也能大大减少[3]，而缺点就在于需要抑制雪崩产生的尖峰噪声并提取微弱的雪崩信号。
2.1 放电脉冲甄别技术
当门控脉冲信号驱动雪崩光电二极管时，由于阻抗不匹配，在没有发生雪崩效应时，门控信号响应则输出充放电正负脉冲的尖峰噪声。在有光生雪崩时，由于门控开启时刻没有雪崩，从而导致产生充电正脉冲，当雪崩电流出现后，此时二极管相当于低阻抗电阻，因此通过探测有无放电负脉冲，即可以判断二极管究竟是电容还是电阻，没有甄别到放电负脉冲时表示有光生雪崩信号，从而实现雪崩信号的鉴别和提取[4]。
2.2 正弦门滤波技术
2006年，日本的研究人员首先提出了正弦波门控滤波探测技术[5]，利用正弦波作为门控信号与控制直流偏置电压加载到单光子雪崩二极管上，当到达正弦波波峰时，偏置电压在雪崩点之上，此时会有光子信号入射形成光生雪崩，S后到达正弦门控信号的波谷时雪崩被抑制，因为此时偏置电压在雪崩点以下。由于结电容对正弦门控信号的非线性响应，会导致充放电噪声和高次谐波噪声也一起输出，所以此方案采用相应的带阻滤波器客去除相应频谱的尖峰噪声从而提取雪崩信号，其中带阻滤波对门控基频信号的抑制比可达100dB，再经高增益放大器放大输出，即可轻易的甄别出雪崩信号。该方案实现了当门控频率为800MHz，探测效率为8.5%时，后脉冲概率为6.0%，暗记数为 /门。
2.3 双APD平衡技术
A. Tomita等人利用两个性能参数完全相同的雪崩二极管，并把这两个二极管进行并联，提出了基于平衡门控的单光子探测器的方法，其原理如***3所示。两个完全相同的SPAD由两路相同的门控电路驱动，输出产生形状相同的尖峰噪声 [6]，两个二极管的输出信号通过一个 180?的混合接口并经过自差分运算相减，继而消除掉尖峰噪声。当两个SPAD中的一个产生了雪崩效应时，输出端就会相应的输出正或负的雪崩信号。鉴别器将雪崩信号进行幅度鉴别后，交由计数器计数。这种抑制尖峰噪声的方案，能够有效地提取雪崩信号，噪声抑制比可达26dB以上。但是，该方案的关键在于几乎很难找到两个完全相同的单光子雪崩二极管器件，与此同时还要精确控制光子到达时间，使得该方案实施起来尤为困难。
2.4 电容补偿平衡
用与单光子雪崩二极管电学特性类似的二极管替换双APD平衡方案的一个APD，工作原理如***4所示[7]。一个雪崩光电二极管与一个普通二极管并联，门控脉冲信号经二极管结电容后，产生与雪崩响应基本一致的尖峰噪声，随后分别接入魔T差分电路，共模尖峰噪声因此相互抵消，但是实际中与雪崩二极管结电容完全匹配的二极管几乎很难找到，因此尖峰噪声抑制～18dB。
2.5 自差分平衡探y技术
英国剑桥实验室和东芝研宄小组提出了自差分平衡探测技术，原理如***5所示，门控脉冲驱动雪崩光电二极管，响应输出信号进入由功分器和差分器组成的自差分电路，其中功分器将二极管响应信号分成幅度相等的两路信号，其中两路电缆线长度不同，使得一路信号经过电缆线相对另一路延迟了一个门控周期，两路信号进入差分器相减后合成输出，即可完全抵消尖峰噪声，可达21dB以上的噪声抑制比，从而有效提取出微弱的雪崩信号。由于一分二的两路信号是完全相同的，采用自差分平衡方案提取雪崩信号，比其它平衡方案获得更高的噪声抑制比，极微弱的雪崩信号可通过降低雪崩阈值电平即可甄别出来，也就是说在低增益条件下即可获得高探测效率，同时有效减小后脉冲[8]。
2.6 光平衡探测技术
光平衡的探测方案，是基于光学方法的自差分方案，不仅避免的电路中的固有延迟及损耗，而且通过光学的方法还可以持续的调整门重频。其基本工作原理如***6所示，光生雪崩产生后，雪崩信号被淹埋在门控瞬态响应的尖峰噪声中，响应输出的雪崩信号和尖峰噪声经放大后驱动1550nm的激光二极管，由于激光二极管响应带宽足够高确保APD响应输出信号转换为光脉冲信号，光脉冲进入了一个由掺铒光纤放大、内置滤波和偏振分束器组成的，类似于魔T差分电路的一个光路，而其中一路延时一个门控周期，最后经普通的光电二极管探测后差分输出，实现了雪崩信号的甄别提取[9]。光平衡探测技术实现了31dB的噪声抑制比，使雪崩二极管工作在亚饱和增益区域，从而实现单个雪崩二极管光子数可分辨探测，此外，光平衡技术相比电学自差分平衡，不仅输出稳定，频率可持续调整，而且不受磁场干扰。
3结束语
我们已经阐述了单光子雪崩二极管在门控探测下，需要超窄的门脉冲宽度才能降低暗计数和后脉冲效应，目前的研究人员主要通过抑制充放电噪声和通过基于差分平衡，进而提取微弱的雪崩信号。这些措施一方面提高探测效率，并且将时钟频率提高到GHz量级。另一方面，高噪声抑制比可使二极管工作于亚饱和状态，从而实现光子数的分辨探测。从实用的角度考虑，单光子雪崩二极管仍然是今后空间激光通信中最为合适的单光子探测器件，因此随着门控频率的进一步提高和采用更高性能的单光子探测器，可进一步拓展该技术的优势，并应用到空间激光探测与通信系统中。
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