Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
2 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
3 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We demonstrate the photon-number resolution (PNR) capability of a 1.25 GHz gated InGaAs single-photon avalanche photodiode (APD) that is equipped with a simple, low-distortion ultra-narrowband interference circuit for the rejection of its background capacitive response. Through discriminating the avalanche current amplitude, we are able to resolve up to four detected photons in a single detection gate with a detection efficiency as high as 45%. The PNR capability is limited by the avalanche current saturation, and can be increased to five photons at a lower detection efficiency of 34%. The PNR capability, combined with high efficiency and low noise, will find applications in quantum information processing technique based on photonic qubits.
single photon avalanche diode (APD) photon number resolution (PNR) detection efficiency 
Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032702
童启夏 1,2雷勇 1,2申向伟 1,2谌晨 1,2[ ... ]蔡善勇 3
作者单位
摘要
1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 量子信息芯片与器件重庆重点实验室,重庆 400060
3 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室,北京 100876
为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。
InGaAs/InP 单光子探测器 单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 光子探测效率 激光通信 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706014
作者单位
摘要
1 中国科学院深圳先进技术研究院,广东 深圳 518052
2 奥比中光科技集团股份有限公司,广东 深圳 518055
基于单光子雪崩二极管(SPAD)的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案,提高研发效率,降低研发成本。因此,从系统子模块的特性出发,利用时间相关单光子计数技术(TCSPC)和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型,得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器(TDC)和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明:在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×103 lx、目标反射率为10%的条件下,主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当;当目标反射率增加到50%后,主动复位电路的系统性能优于被动复位电路;类似地,多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC,主要表现在,与单事件首光子TDC相比,多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布,其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值,寻峰算法更简单,算力需求更少。仿真结果表明,为使系统性能最优化,SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。
激光雷达 单光子雪崩二极管 建模与仿真 淬灭电路 时间数字转换器 
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1028003
作者单位
摘要
1 上海理工大学 材料与化学学院,上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
5 中国科学院大学杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器(SPADs)进行了总剂量为10 krad(Si)和20 krad(Si)的γ辐照,并进行了原位和移位测试。辐照后,暗电流和暗计数率有轻微的下降,而探测效率和后脉冲概率基本不变。经过一定时间的室温退火后,这些退化基本恢复,这表明瞬态电离损伤在γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器的损伤中占主导地位。
γ辐照 InGaAsP/InP 单光子雪崩探测器 单光子性能 Gamma irradiation InGaAsP/InP single-photon avalanche diode single-photon performance 
红外与毫米波学报
2024, 43(1): 44
祁雨菲 1,2,5王文娟 2,*孙京华 2,3武文 4[ ... ]陆卫 1,2,**
作者单位
摘要
1 中国科学院大学杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
3 上海理工大学,上海 200093
4 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093,中国
5 中国科学院大学,北京 100049
我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD),该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增(SAGCM)异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率(PDE)为70%,暗计数率(DCR)为14.93 kHz,后脉冲概率(APP)为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。
单光子雪崩二极管 暗计数率 光子探测效率 后脉冲概率 single photon avalanche diode dark count rate photon detection efficiency after-pulse probability 
红外与毫米波学报
2024, 43(1): 1
Danlu Liu 1Ming Li 1Tang Xu 1Jie Dong 1[ ... ]Yue Xu 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 College of Integrated Circuit Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China
2 National and Local Joint Engineering Laboratory of RF Integration & Micro-Assembly Technology, Nanjing 210023, China
The influence of the virtual guard ring width (GRW) on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode (SPAD) in a 180 nm standard CMOS process was investigated. TCAD simulation demonstrates that the electric field strength and current density in the guard ring are obviously enhanced when GRW is decreased to 1 μm. It is experimentally found that, compared with an SPAD with GRW = 2 μm, the dark count rate (DCR) and afterpulsing probability (AP) of the SPAD with GRW = 1 μm is significantly increased by 2.7 times and twofold, respectively, meanwhile, its photon detection probability (PDP) is saturated and hard to be promoted at over 2 V excess bias voltage. Although the fill factor (FF) can be enlarged by reducing GRW, the dark noise of devices is negatively affected due to the enhanced trap-assisted tunneling (TAT) effect in the 1 μm guard ring region. By comparison, the SPAD with GRW = 2 μm can achieve a better trade-off between the FF and noise performance. Our study provides a design guideline for guard rings to realize a low-noise SPAD for large-array applications.
single-photon avalanche diode (SPAD) virtual guard ring dark count rate (DCR) photon detection probability (PDP) afterpulsing probability (AP) 
Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 114102
作者单位
摘要
1 南京邮电大学集成电路科学与工程学院,江苏 南京 210023
2 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室,江苏 南京 210023
3 核探测与核电子学国家重点实验室,安徽 合肥 244199
基于0.18 μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间(dTOF)探测器。集成的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构,显著提高了对近红外光子的探测概率;采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环,有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器(TDC),获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明,SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率(PDP)峰值达到45%,在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%,暗计数率(DCR)小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围,差分非线性度(DNL)和积分非线性度(INL)均小于±1 LSB(1 LSB=130 ps)。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点,可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。
探测器 直接飞行时间 单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 时间数字转换器 
光学学报
2023, 43(20): 2004002
作者单位
摘要
湖南师范大学物理与电子科学学院,湖南 长沙 410081
基于半导体工艺器件仿真软件和Matlab编程,对光子探测概率(PDP)进行了建模和实验表征。进一步考虑器件表面二氧化硅薄膜的光透射性,可以准确预测单光子雪崩二极管(SPAD)的性能。将模拟结果与采用0.18 μm标准双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺设计和加工的SPAD的结果进行比较。结果显示,PDP的预测结果与实验结果之间具有良好的一致性,平均误差为1.72%。该模型可以减少商用器件仿真软件中存在的不收敛问题,极大减少了开发SPAD器件新结构所需的时间和成本。
光电子学 单光子雪崩二极管 薄膜透射 光子探测概率 Matlab建模 
光学学报
2023, 43(10): 1025002
董亚魁 1,2刘俊良 1,2,*孙林山 1李永富 1,2[ ... ]赵显 1,2
作者单位
摘要
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室,山东 青岛 266237
2 山东大学 光学高等研究中心,山东 青岛 266237
3 山东大学 信息科学与工程学院,山东 青岛 266237
近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明:无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在−50 ℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20 ℃风冷下的最低制冷温度可稳定在−58 ℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器尤其适用于对性能和环境空间要求更严苛的应用场合。
单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 单光子探测 近红外 主动淬灭 single-photon avalanche diode negative-feedback avalanche diode single-photon detection near infrared active quenching 
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220907
作者单位
摘要
中国人民解放军32286部队, 山东 济南 250000
为实现对军用激光测距机雪崩二极管的有效防护, 通过实验的方法测试了VO2薄膜在1064 nm激光辐照下的基本性质, 得出了其相变前后透过率与膜厚的关系以及不同厚度VO2薄膜对C30950E雪崩二极管最低饱和入射激光阈值的影响, 并给出了拟合公式。实验结果表明,随着膜厚的增加,雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值逐渐提高;膜厚为200 nm的VO2薄膜可将雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值由5×10-6 W提高到 1.2×10-5 W。由于目前国内针对军用激光测距机雪崩二极管激光防护开展的研究还较少, 且大多局限在理论层面、缺乏实验数据支撑, 因此本文提供的数据和拟合公式不仅可以进一步验证将VO2薄膜用于军用激光测距机雪崩二极管防护的可行性, 而且为进一步开展各型激光测距装备雪崩二极管防护研究提供了数据参考。
VO2薄膜 测距机 C30950E雪崩二极管 饱和入射激光阈值 VO2 film laser rangefinder C30950E avalanche diode saturation incident laser threshold 
红外
2023, 44(1): 47

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