1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205
【目的】为了应对不断增长的超千兆需求，从千兆走向万兆，从第五代固定网络（F5G）走向高级第五代固定网络（F5.5G），50 Gbit/s无源光网络（PON）被认为是F5.5G的重要组成部分。故文章针对当前接入网络发展状况，对50 Gbit/s PON技术进行了深入研究。
【方法】文章首先介绍了实现50 Gbit/s PON高灵敏度面临的困难，并提出了解决方案。方案中，50 Gbit/s的非归零（NRZ）信号通过雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）探测器，在强电场的作用下形成可被检测到的宏观电流，该电流通过跨阻放大器（TIA）放大并转换成电压输出。对其进行均衡处理，采用光数字信号处理（oDSP）芯片的前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）对脉冲信号的拖尾现象进行补偿后，再通过DFE将码间干扰的影响降到最低。接着重点分析了APD、TIA和oDSP等关键技术，并采用25与50 Gbit/s APD对接收性能进行比较。
【结果】两组实验测试结果显示，第1组实验25 Gbit/s APD在测试时间4 min内接收信号无误码，接收光功率为－8.48 dBm，当误码率（BER）为2.78e－2时，接收光功率达－26.61 dBm；在使用50 Gbit/s APD的情况下，4 min内接收信号无误码时，接收光功率为－8.97 dBm。当BER为2.78e－2时，接收光功率达到－27.05 dBm，第2组数据50 Gbit/s APD-2也达到了同样的实验效果。
【结论】50 Gbit/s APD接收灵敏度更高，性能更好，更适合使用在50 Gbit/s PON光模块中实现高性能接收。最后文章针对未来降成本方案在均衡技术与APD上的应用提出了可行性分析。
50 Gbit/s无源光网络 雪崩光电二极管 光数字信号处理 跨阻放大器 高性能接收 50 Gbit/s PON APD oDSP TIA high sensitivity reception 光通信研究
2024, 50(1): 23015001
1 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室，上海 200083
InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件，已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法；系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法；针对高频信号输出，总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题；展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。
雪崩光电二极管 InGaAs 单光子探测器 封装 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0900009
闽南师范大学物理与信息工程学院光场调控及其系统集成应用福建省高校重点实验室，福建 漳州 363000
Ge/Si雪崩光电二极管（APD）被广泛应用于近红外探测领域，但由于Ge和Si之间存在4.2%的晶格失配，故难以获得高性能的Ge/Si APD。提出在Ge/Si键合界面处引入多晶硅（poly-Si）键合中间层，弱化Ge/Si失配晶格对APD器件性能的影响。poly-Si引入后键合界面电场发生变化，导致APD内部的电场重新分布，极大地影响了器件性能。因此，重点对Ge吸收层和Si倍增层的掺杂浓度进行调控，探究了掺杂浓度对Ge/Si APD电场、复合率、载流子浓度、碰撞电离等性能的影响，最终设计出高性能键合Ge/Si APD。本工作将为低噪声、高增益Ge/Si APD的研究提供理论指导。
材料 Ge/Si雪崩光电二极管 晶格失配 poly-Si键合层 掺杂浓度
闽南师范大学物理与信息工程学院光场调控及其系统集成应用福建省高校重点实验室，福建 漳州 363000
目前，在近红外波段中普遍采用InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD），但这类APD存在增益带宽积小和等效噪声高等问题，而InGaAs/Si APD采用电子、空穴离化系数极低的Si材料作为倍增层，在一定程度解决了上述问题，但其制造过程涉及Si电荷层的离子注入和高温退火激活，该过程工艺复杂、杂质分布不均匀、成本高。因此，本研究采用刻蚀技术在Si倍增层内制备凹槽环，并在凹槽环内填充不同介质对InGaAs层及Si层内的电场进行调控，构建无电荷层InGaAs/Si APD器件模型。结果表明，在凹槽环内填充空气或SiO2可获得高性能的InGaAs/Si APD。该研究结果可为后续研制工艺简单、性能稳定、低噪声的InGaAs/Si APD提供理论指导。
探测器 雪崩光电二极管 增益带宽积 电荷层 凹槽环
1 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
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 201210
4 上海量子科学研究中心，上海 201315
5 复旦大学 应用表面物理国家重点实验室和物理学系，上海 200438
InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）对近红外光具有高敏感度，使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂，厚度尺寸从量子点到几微米不等，性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延（MBE）技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In0.53Ga0.47As薄膜和APD结构材料。实验结果表明，As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势，可获得陡直明锐的异质结界面，降低载流子浓度，提高霍尔迁移率，延长少子寿命，并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此，As脱氧可以有效提高MBE材料的质量，这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。
分子束外延 P/As切换 异质界面扩散 铟镓砷/磷化铟雪崩光电二极管 molecular beam epitaxy P/As exchange heterointerface diffusion InGaAs/InP APD
精密光谱科学与技术国家重点实验室 华东师范大学 上海 200241
光功率的测量是光学研究领域最重要、最常用的计量技术之一, 尤其在光通信、激光测绘等领域, 同时具有优于皮瓦量级灵敏度和大动态范围的光功率测量是用于系统测试和标定的极为关键的技术, 然而目前商售的光功率计测量灵敏度通常仅能达到纳瓦量级。本文发展了一种极限灵敏度可达稀疏光子水平的光功率测量装置, 测量系统采用硅雪崩光电二极管单光子探测器, 使用散射片和电控光阑精密控制待测信号光强度, 实现了在20fW～300W范围内的光功率测量, 功率测量的响应波长范围可以覆盖530～860nm, 测量误差小于3.7%, 重复性测量相对标准偏差小于1.9%, 能够满足微弱信号光功率测量需求。这种兼具高灵敏度和大动态范围的光功率测量方法有望解决强度微弱至稀疏光子水平的光信号计量难题。
光功率测量 稀疏光子 单光子探测 雪崩光电二极管 optical power measurement sparse photon large dynamic range avalanche photodiode 量子光学学报
2023, 29(3): 030201
湖北久之洋红外系统股份有限公司, 湖北 武汉 430223
针对雪崩光电二极管(Si-APD)所加偏压需要随环境温度作调整, 且偏压电路所需的低纹波低噪声等因素, 构建了以Royer振荡器和微控制器为核心的偏压电路。该Si-APD偏压电路以BL8032型同步降压控制器作为Royer振荡器的输入电源, 以MS5221M型DAC作为该输入电源的调整单元, 以AD8606型集成运放和AD7980型ADC作为Royer振荡器输出电压采样单元, 以STM32F103TBU6型微控制器作为计算与时序控制单元。本偏压电路不仅具有温度自适应性, 而且具有低纹波、低噪声、低功耗和电气安全隔离的特点, 能在9~36 VDC宽输入电压范围和-40~70 ℃环境下良好工作。
Royer振荡器 硅基雪崩光电二极管 偏压电路 温度自适应性 微控制器 Royer oscillator Si-APD bias circuit temperature adaptivity MCU
激光雷达(LiDAR)广泛应用于航天器导航、安防监控、3-D测绘、自动驾驶汽车、**装备及机器人等领域, 具有重要的**和民用价值。雪崩光电二极管(APD)阵列探测技术在LiDAR的发展过程中发挥着至关重要的作用。介绍了LiDAR和APD阵列的应用背景, 综述了APD阵列和LiDAR系统的发展历程和最新进展, 最后总结了APD阵列探测技术的发展前景和研究趋势。
激光技术 激光雷达 探测器 雪崩光电二极管阵列 自动驾驶汽车 laser technique light detection and ranging detectors avalanche photodiode array autonomous vehicle
SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
时间数字转换器 光子飞行时间 门控环形振荡器 锁相环 单光子雪崩光电二极管 time to digital converter time-of-flight gated ring oscillator phase-locked loop SPAD 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220896
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 200120
3 中国科学院大学，北京 100049
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
混合飞行时间测距 读出电路 线性模式雪崩光电二极管 激光雷达 hybrid time-of-flight ranging readout circuit linear-mode APD lidar 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220892
