基于APD的弱光信号探测系统设计及相关特性研究Word格式.docx

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Keywords:

AvalanchePhotoDiode;

AmplifierCircuit;

semiconductorcooling;

analog-digitalconversion;

serialcommunication

第1章绪论

1.1光电探测器的发展概述

随着科学技术技的发展，光电信息技术的发展，人们开始注重对微弱光信号的探测与研究。

而光电探测器的研究又是该系统研究的重要组成部分。

光电探测器就是把光辐射转换成电量的光学探测器。

光电探测器的发展历史比较悠久，已有上百年的研究历史。

由于其在军事和民用中的重要性，且发展非常迅速，半导体光电探测器也随之开拓了广阔的应用领域。

同时随着在材料、结构、工艺上的不断更新与深入研究，半导体光电探测器也在逐步发展，并且朝着集成化的方向发展。

这就大大缩小了其体积，改善了其性能，并降低了成本。

1.1.1光电探测器的发展历史

最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。

其中，热电偶早在1826年就已发明出来[1]。

1947年有人制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。

虽然经过多年的改进和发展，这些光辐射探测器的性能得到很大提高，但与光子探测器相比，它们的探测率仍然比较低，时间常数也比较大。

二战以后，新的光电导材料的不断出现，使对得光电探测器的研究有了一个质的飞跃。

在上世纪50年代中期，性能良好的可见光波段光电探测器已应被广泛使用。

1960年以后，对中远红外波段灵敏的Ge,Si掺杂光电导探测器研制成功。

1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器，主要用于CO2激光的探测。

八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。

这种器件工作于8～12µ

m波段，工作温度为77K。

1.1.2光电探测器的国内外研究现状

1.1.2.1基于APD的光电探测器电路研究与设计

光电探测器电路是用来对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号放大、处理和整形输出。

探测的用途不同，采用的光电转换器件和光电探测器电路性能也不同。

如进行光电转换时，考虑的重点就是器件的光电转换效能和匹配方式。

因而有人提出将APD与前置放大器电路配合使用的最佳方法[2]。

根据光电转换信噪比的数学模型，来选择与APD匹配的电路器件，提出了前置放大器采用低噪声分体器件与集成运算放大器相组合的方法。

该光电探测器电路设计方法如下。

为了提高光电探测器检测及传送微弱信号的能力，需要选择具有抗强干扰的低噪声前置放大器。

前级部分由雪崩光电二极管（APD）与前置放大器组成，其器件选用高性能、低噪声的放大器来实现电路的匹配，并把电流信号转换成电压信号，实现信号的放大。

在前置放大器之后，再连接上运算放大器，这就不会造成信噪比的下降，并保证了光电探测器电路的放大倍数。

1.1.2.2一种新型谐振腔增强型光电探测器

随着光波分复用通信技术的快速发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器，在光通信中显示出了巨大的优势。

一种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器（ResonantCavityEnhancedPhotodetector,RCEP），该RCEP[8]的基本结构（如图1-1）是将吸收层插入到谐振腔当中，靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波长位置剧烈地增强，带宽效率积改善，从而允许制作薄的光吸收区。

它还同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，相应提高器件的响应速度，从而能解决传统探测器的量子效率和响应速度之间相互制约的矛盾。

除此之外，谐振腔还可使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。

图1-1RC肖特光电探测器剖面图

1.1.2.3法国演示采用集成鱼眼光学部件的红外探测器[17]

在美国奥兰多举办的SPIE2011防御、安全和传感展览会上，法国Sofradir公司与Onera实验室联合演示了一种采用集成鱼眼光学部件的新型红外探测器。

新型鱼眼红外探测器是由Sofradir公司和Onera实验室联合研制的。

由于其采用了内置的360°

成像技术，这种新型红外探测器能够使导弹告警系统制造商减小相关光学传感器的尺寸，并使得其变得更加坚固，而且还可以减少光学部件数量、提高相机的光学透过率和灵敏度。

此外，将成像透镜嵌入到冷却室中，可以最大限度地减少杂散光，使得热响应和背景电流更加稳定，从而无需再进行非均匀性校正。

1.1.2.4日本研制成高性能256×

256长波量子点红外光电探测器[9]

量子点红外光电探测器（QDIP）由于其可以使用成熟的常规GaAs工艺制备，已受到人们的广泛关注。

它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下正常地工作。

日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×

256像素长波红外QDIP焦平面阵列。

该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm，

其读出电路采用直接注入式输入结构，积分时间为8ms，帧速为120Hz，工作温度为80K。

在80K温度下时，该红外焦平面阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。

1.1.2.5英特尔高性能硅基雪崩光电探测器[21]

2008年12月7日，英特尔公司的研究团队在硅光电子学领域又一次取得了重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-basedAvalanchePhotodector）实现了创世界纪录的高性能。

这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺，实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，它为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可超过现有使用磷化铟（InP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。

作为一项新兴技术，硅光电子学（SiliconPhotonics）利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。

这项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。

1.2本课题研究的主要内容

为了实现单光子探测，本次设计从探测器的驱动电路处着手，使雪崩光电二极管工作于雪崩电压之上，开发其最高灵敏度。

本课题所选用的光电探测器是APD。

目前市场上常应用的APD主要有三种材料:

Si,Ge和InGaAs-APD。

首先要对这些雪崩光电二极管进行特性研究，确定其雪崩电压、信噪比及倍增因子等参数，从而选择出性能相对好的APD作为单光子探测器件。

除此之外，还要设计出想应的信号处理电路与温度控制系统。

主要的研究内容有：

简单的了解并接受一下光电探测器的工作原理，尤其是APD的结构及相关特性参数；

介绍半导体制冷原理，研究单光子探测器常用的半导体制冷腔体结构及恒温控制系统；

设计与APD比配的前置放大电路，及相应的信号处理电路与传输系统；

介绍APD的直流偏压原理等。

第2章总体方案

2.1总体设计思路

目前常用的弱光信号检测可以分为下列几种方式，即锁相放大器、取样积分器和光子计数器。

下面就来简单介绍一下它们的原理。

1.锁相放大器（lock-inamplifiers）是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。

它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有影响。

因此，能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比。

此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理简单。

2.取样积分器（boxcar），也是一种弱光信号检测系统。

它利用周期信号的重复特性，若在每个周期的同一相位处多次采集波形上某点的值，其算术平均的结果与该点处的瞬时值成比例，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。

取样积分有更好的信噪比改善。

3.单光子计数技术是一种检测微弱光信号的新技术，这一技术是通过分辨单个光子在光电探测器中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。

从时域上看，极弱光信号是时间上相对比较分散的光子流，因而由探测器输出的将是自然离散化的电信号。

针对极微弱光的这一特点，采用脉冲放大，脉冲甄别和数字计数技术，可以大大提高极弱光探测的灵敏度，这是其他探测方法所不能比拟的，现代光子计数技术的优点有：

①.较高的信噪比，可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高；

②.抗漂移性很好，在光子计数测量系统中，探测器增益的变化，零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好；

③.有比较宽的线性动态范围，系统稳定，探测灵敏度高，抗噪声能力强；

④.数量输出，可直接同计算机或数字式数据处理系统联机，实现最佳测试。

本次设计采用类似光子计数器的方法，在利用APD进行的探测技术研究中主要使用了直接探测的方法。

就指利用光电探测器的光电转换效应，将接收到的光功率转换为容易测量的电压或电流信号，其输出电信号的幅值正比于光功率。

具体就是让入射的微弱光通过APD光电探测器的转换变成电量，在经过前置放大电路，把电流量转换成电压量，在用滤波电路滤除噪声干扰，再经主放大电路放大后模数转换，传入上位机处理。

当然可在APD转换后也可加个示波器，用来显示波形，方便直观形象的观察和监控，这样就基本可以实现对微弱光信号的探测与研究。

该探测系统主要由光学系统、APD探测器、信号处理电路、A/D转换电路、单片机、串口通信接口和微机组成，其总体的设计方案如图2-1所示。

图2-1探测系统总体图

2.2功能模块简介

光学系统：

通过强衰减得到设计所需的微弱光信号，并将可探测到的光信号最大可能地聚焦到APD探测器的光敏面上。

APD及其偏压电路：

把得到的微弱光入射到APD雪崩二极管上，把光辐射转换成电量，并用用可调直流源给其提供合适的偏压。

制冷器：

APD放置在带有温度控制的制冷器系统中，用单片机控制，使其工作在适宜的温度，从而通过降温以减少其暗电流；

前置放大电路：

把微弱的电信号放大，并把电流信号转换成电压信号；

示波器：

在示波器上观察输出的脉冲波形，并作为监控；

滤波电路：

提高信号的信噪比，除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声；

主放大电路：

进一步放大电压信号，以便进行采样；

峰值保持电路：

检测主放大电路输出的电压信号的峰值，将其峰值保持一定时间，以便控制单元有足够的时间获得峰值数值，该峰值代表激光回波信号的强度；

AD转换：

把模拟量转换成数字量，并存入单片中，单片机在把它传入PC机中去处理。

第3章光电探测器及相关特性

3.1光电探测器

光电导探测器顾名思义就是一种利用半导体光电导效应制成的光探测器件。

它是光通信系统中的一个重要的基本组成单元。

其作用就是把传送到接收器的光信号转换成电信号，然后对其进行进一步的放大和处理。

通常光电探测器可根据其工作原理分为两类；

一类是根据外光电效应工作的，如我们熟悉的光电倍增管；

一类是按内光电效应工作的，如半导体光电器件或固体光电器件。

外光电效应和内光电效应统一被称为光电效应。

它是物理学中一个重要而且神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光能转换成电能。

光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。

常用的弱光信号探测器要有光电倍增管（PMT），雪崩光电二极管（APD），真空雪崩光电二极管（vAPD），增强光电二极管（IPD），微通道板（McP）等。

3.2几种常用的弱光信号探测器

光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，主要是由光电阴极、打拿极和收集极构成，由于在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了检测灵敏度。

光电倍增管的结构如图3-1所示，主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极5个部分组成[10]。

图3-1光电倍增管的结构

光电倍增管的工作原理是光电阴极吸收光子并发生外光电效应，发射光电子：

光电子在光电倍增管的内电场作用下被加速后，碰到打拿极并产生二次电子，而二次电子又在电场的作用下被加速，到达下一级打拿极，从而产生更多的电子，随着打拿极的增加，二次电子的数目也得到进一步地倍增，最后由光电阳极接收并产生电流或者电压信号输出，而输出的信号大小反映了光信号的强弱。

PMT在可见光光谱范围有很高的增益和较低的噪声，但其工作电压高、体积大，抗外磁干扰能力差，且只能工作在可见光谱范围内，根本无法探测到近红外单光子。

真空雪崩光电二极管（vAPD）是由光阴极和一个具有大光敏区面积的半导体硅APD组成，光阴极和APD之间保持高真空态，其结构与原理如图3-2所示[19]。

当入射光子通过玻璃窗口照射到光阴极并产生光电子后，这些光电子被强电场加速向阳极的硅APD光敏区飞去，高能光电子与APD的表面撞碰导致在硅中产生大量电子一空穴对，而这样一个电子在硅中产生的电子一空穴对大于2000对。

在VAPD中的硅APD典型的增益为500，因而VPD的增益高达106（500*2000）。

VAPD是PMT和APD结合的产物，有低噪声、动态范围大、分辨率高抗电磁干扰性能好和探测光谱范围宽等优点，但其工作电压要求极高，不便操作。

图3-2真空雪崩光电二极管（vAPD）的结构与原理图

微通道板虽然已经广泛应用于军事、空间、光谱学等方面，但其增益比较低，达不到光子计数的要求，一般需要通过几片微通道板级联才能提高增益。

这样级联后就会大大提高暗电流，不利操作。

所以经综合考虑，人们使用最多的是体积小，操作方便的雪崩光电二极管。

3.3APD探测器

雪崩二极管（APD）是借助电场产生载流子倍增效应（即雪崩倍增效应）的一种高速光电二极管。

雪崩倍增效应是指：

当在光电二极管上加一个相当高的反偏电压（100～200V）时，在结区产生一个很强的电场。

结区产生的光生载流子受强电场的加速将获得很大的能量，在与晶格原子碰撞时，使晶格的原子电离，产生新的电子一空穴对在向电极运动过程中又获得足够大的能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子一空穴对。

这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加，这种现象称为雪崩倍增效应[10]。

APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器，且非常适合于近红外波段的极其微弱光信号探测。

APD对光电流的放大作用的大小由电子和空穴的碰撞电离系数α和β决定，α和β与半导体材料及使电子和空穴加速的电场有关。

图3-3所示是一种拉通型雪崩光电二极管的典型结构及电场分布图。

当外加反向偏压较低时，大部分电压降发生在PN+结两端。

增大偏压，耗尽层的宽度随反向偏压的增加而增加。

当反向偏压增大到某一值时，耗尽层的宽度刚好“拉通”到几乎整个本征的I区。

“拉通”结构的APD的最佳性能与器件的几何尺寸和P区的掺杂水平有关，只有合适的掺杂浓度，才能使电场拉通整个I区。

由此可见，拉通型雪崩光电二极管中，将吸收区和倍增区溶为一体，而将倍增区与漂移区分隔开来，这样的结构特点，使雪崩光电二极管既得到内部增益，又可以得到高的量子效率和响应速度，同时还降低了过量噪声。

图3-3拉通型雪崩光电二极管的典型结构及电场分布图

3.4APD相关特性[4]

3.4.1量子效应与响应度

我们通常用量子效率来表征半导体内部一个入射光子产生电子—空穴对的概率，它的定义为：

（3-1）

式中，IP为光电流；

P0为入射光在半导体表面处的光功率；

hν为入射光子的能量。

若所有的光子都在耗尽区内被吸收，且所有光激发的载流子都被吸收，则量子效率等于l。

对一个实际的光电二极管来说，入射光功率中的一部分RfP0在空气与光电二极管的界面上，因被反射而消耗掉。

同时，在耗尽区内被吸收的光子数与耗尽区的宽度W以及随波长变化的光吸收系数a（λ）有关。

因此，假如忽略光在表面P区的吸收，则量子效率为：

（3-2）

可见，为了提高η，耗尽区必须要足够宽以便保证a>

>

1。

此外，为了获得高的量子效率，尽可能减小入射光子在半导体表面的反射。

因此可在半导体的表面涂覆上一层抗反射膜，用来增加空气与半导体界面的透过率。

此外还可用响应度R来表征单位入射光功率所产生的光电流，其等于入射光所产生的光电流除以入射光的光功率：

（3-3）

其中h为普朗克常数，v是光子频率。

当波长λ以微米为单位时，hv=1.24/λ（eV）。

因此，响应度的的表达式为：

（3-4）

对于雪崩光电二极管而言，由于雪崩倍增效应的作用，获得了M倍的放大，因此雪崩光电二极管的响应度为：

（3-5）

量子效率η和响应度R是光电探测器的两个重要特性，对材料不同的光电二极管，其响应度也不同。

因此，要根据不同的探测波段选择响应的探测器材料。

当波长一定时，响应度R为一固定值，表明量子效率η与入射光功率无关，因而光电流的大小与入射光功率大小成正比，入射光功率变化，探测到的光电流也相应地变化，从而可以通过测定光电流来探测光信号的变化。

3.4.2暗电流

光电二极管中，没有光照时，在半导体内部，由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，它们在电场的作用下产生的电流被称为暗电流。

一般光电二极管的暗电流由本体暗电流和表面漏电流两部分组成。

前者是由光电二极管的PN结中热生成的电子和空穴引起的。

后者则同表面缺陷，清洁度，偏置电压大小，表面面积等参数有关。

雪崩光电二极管中，因热释放出来的载流子同样受到PN结处高电场的加速也有倍增作用。

雪崩倍增是一种体效应，故表面漏电流同倍增无关。

通过采用保护环结构，使表面漏电流通过保护环分流，可以有效地减小表面暗电流。

3.4.3倍增因子M

APD的倍增因子M的定义为：

（3-6）

其中Ip是APD的输出平均信号电流，Io是平均一次信号电流。

在APD中由于不可避免地伴随着噪声，倍增子是在一个平均值上发生着随机起伏的量，上式为统计平均倍增因子。

我们可以通过以下的速率方程来求得APD的倍增系数。

，

（3-7）

在APD的增益区内，总电流i=ie（x）+ik（x）应该保持不变，则式（3-6）变为

（3-8）

ie和ik分别为电子电流和空穴电流，a和β为电子和空穴的碰撞离化系数。

考虑到雪崩过程是在厚度为d的增益区上x=0处开始，可以利用边界条件ik（d）=0和ie（d）=I，则由（3-7）可得到倍增因子的表示式：

（3-9）

可知，APD的倍增因子与碰撞电离系数的比值β/a有很大关系，当只有电子参加碰撞电离倍增过程时，β=0时，

M=exp（ad）（3-10）

因此从上可知，APD的倍增因子是随d按指数增加。

如果β≈α，可在式（3-8）中用（1-（α-β）d）代替exp[-（α-β）d]，得：

（3-11）

在αd=1时此公式失效，称为雪崩失效条件。

尽管在α和β相近的情况下可以以很窄的增益区厚度获得较高的增益因子，但是在α和β较接近的情况下APD的响应带宽将大大减小，并且噪声很高，所以实际应用中采用口α>

β或β>

α的情况，即只有一种载流子发生雪崩过程，从而制成性能较好的APD。

3.4.4过剩噪声

由于雪崩过程具有随机特性，光生载流子倍增过程中因增益的随机起伏产生了一种超过