近年來， InGaAs/InP雪崩光電二極管（APD）體積小、功耗低、響應速度快，被廣泛應用于近紅外單光子檢測。基于InGaAs/InP材料的雪崩光電二極管（APD）已成為高速光通信和光學雷達等領域中的重要探測器件之一。相比于傳統的光電二極管，雪崩光電二極管具有更高的增益和更低的噪聲，能夠實現高靈敏度和高速度的信號檢測和放大。因此，它們被廣泛應用于光通信系統中的高速接收機、光纖傳感器和光學雷達等領域。由于其高速度和高靈敏度，這種探測器可以被廣泛應用于通信、測量和成像等領域。例如，在光通信系統中，它可以用于接收高速光信號，并實現高速數據傳輸。在光學測量中，它可以用于測量微弱的光信號，并實現高精度測量。在成像領域，它可以被用于制造高分辨率的紅外相機，用于航空航天、醫學和軍事等領域。

據麥姆斯咨詢報道，近期，上海理工大學光電信息與計算機工程學院的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“基于InGaAs/InP低噪聲GHz單光子探測器研究”為主題的文章。該文章第一作者為龍耀強，主要從事單光子探測器集成方面的研究工作；通訊作者為梁焰副教授，主要從事單光子探測、激光測距、光譜檢測等方面的研究工作。

研究背景

InGaAs/InP材料具有優良的光電性能和化學穩定性，特別是在紅外光譜范圍內，其光電探測器具有非常高的量子效率和快速響應速度。在雪崩光電二極管中，當光子通過InGaAs材料時，它們會與半導體晶格中的載流子相互作用，并將它們加速到足夠高的能量，以激發電離過程并產生電子-空穴對。這些電子-空穴對會在高電場的作用下經歷雪崩效應，從而增加載流子密度和電流，實現信號放大。雖然InGaAs/InP雪崩光電二極管具有許多優點，但它們也存在一些挑戰和限制。例如，雪崩效應可能會導致熱噪聲和暗電流的增加，從而降低探測器的信噪比和靈敏度。

隨著通信技術的不斷發展，高速、高靈敏度、高分辨率的光電探測器對于通信系統和光學測量等領域的需求越來越迫切。在這些應用通信、測量和成像等領域中，特別是在通信領域，要求探測器的工作頻率高達數GHz，因此基于GHz的InGaAs/InP雪崩光電二極管的研究變得尤為重要。

? 主要內容

InGaAs/InP APD通常工作在蓋革模式下來響應單個光子。單個載流子觸發產生的自持雪崩無法自然停止，為了再次響應光子信號，需要快速將APD加載的偏壓降低至雪崩以下，對其抑制后恢復到探測模式。雪崩過程中，倍增層部分載流子被其中的缺陷及雜質捕獲，隨后在不可預期的時間點由熱激發釋放出來觸發雪崩，即后脈沖。GHz門控信號加載到APD時能夠快速實現雪崩和淬滅的效果，提升了探測速率，同時有利于降低載流子數量，從而降低后脈沖。然而，隨著工作速率的提升，一方面門控信號在APD上產生的容性噪聲增大，APD雪崩持續時間變短導致有效光生信號變小，探測器信噪比變低；另一方面，APD冷卻時間變短，光生載流子無法得到充分釋放，探測器誤計數增大。因此高速門控的關鍵技術就是從較大的容性響應微分信號中提取微弱的雪崩信號。

圖1（a）系統設計圖；（b）尖峰噪聲圖；（c）低通濾波級聯下提取信號圖

我們提出低通濾波技術，采用截止頻率低于門控信號基頻的低通濾波器，濾除高頻尖峰噪聲信號的同時盡可能多地保留有用的低頻雪崩信號。為了保障探測器的信噪比，我們采用了低通濾波級聯方案，噪聲抑制比超過40 dB。APD的響應帶寬約為2.3 GHz，實驗中我們設計了1.0~2.0 GHz門控系統方案。我們對門控信號做了精密的調控，包括重復頻率、幅度、延時等，在溫度控制模塊加入反饋來提高穩定性。對于各個模塊，我們采用板級集成來縮小尺寸，并用上位機來實現對APD的性能表征，可以快速記錄GHz探測頻率、APD輸出計數、溫度等參數指標。

量子探測器層析（QDT）省去了傳統“自下而上”的標定方法。將量子探測器視為“暗箱”，由已知的輸入態和測量得到的輸出結果來獲得正定算子取值測度（POVM）矩陣，可全面表征探測器。為了更完整的描述探測器的量子特征，我們引入量子探測器層析技術進行標定，重新構建了其正值算符測度矩陣以及對應的Wigner函數，為其在量子通信、量子計算等量子信息技術的應用中提供支撐。

圖2 （a）量子層析裝置圖；（b）擬合結果圖

結論

GHz低噪聲的InGaAs/InP探測器具備更高的探測速率，更低的噪聲。分析APD的響應帶寬后，確定門控頻率適合在1~2GHz。采用了正弦門控結合低通濾波級聯方案，實現了2 GHz以下低噪聲單光子探測。低通濾波級聯方案在高速門空中，信號提取的明顯，噪聲抑制比在40dB以上。此外，我們還引入量子層析技術對探測器進行了標定，驗證了其量子特性。該探測技術結構簡單，能夠長期穩定運行，為單光子探測器在深空通信、激光測繪、光時域反射等領域的實用化提供有力支撐。

審核編輯：劉清