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(TCSPC)时间相关单光子计数系统,SPAD,APD,SPD检测解决方案

用于SPAD(APD)测试解决方案的TCSPC系统

本文档用于描述使用TCSPC技术进行单光子雪崩二极管(SPAD)或雪崩光电二极管(APD)测试的基本原理和SIMTRUM的解决方案

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内容索引

● SPAD(APD)测试目标和原理

● 熊片SPAD(APD)的TCSPC测试解决方案

● 用于封装SPAD(APD)TO46或T08的TCSPC测试解决方案

产品手册链接:


SPAD(APD)测试目标和原理

该测试系统适用于SPAD的盖革工作模式,采用门控淬灭技术、准单光子源和计数原理,可测量SPAD的雪崩电压值Va、暗计数率DCR、单光子探测效率SPDE,经过脉冲概率Pa和时间抖动TJ,可作为SPAD(APD)量产测试平台和SPAD(APD)性能测试平台。


测试系统的测试目标和基本原理简要描述如下:

1)SPAD的单光子探测效率(SPDE):根据给定激光器每个脉冲μ的平均光子数(一般为μ=0.1),测量SPAD Pd的每个门控脉冲产生的暗计数概率,以及每个光脉冲Pe产生相关计数的概率,则单光子探测效率SPDE可以计算为:


一般暗计数概率Pd远小于1,当μ=0.1时,光脉冲相关计数概率Pe也远小于1,则SPAD可以近似为:

2)SPAD的归一化暗计数率DCR:由于SPAD在具有一定栅极宽度τ的门控模式下工作,为了均匀性,SPD Pd的暗计数率,即每个栅极脉冲产生的暗计数概率,转换为SPAD盖革模式下的暗计数率,即 归一化暗计数率 Rd

3)SPAD后的脉冲概率P a:该参数一般需要指定门控工作频率,它表征在特定门控工作频率下SPAD内部缺陷捕获和释放光电子引起的有效光子入射引起的后续雪崩脉冲的总概率[1]。设单位时间内SPD的总计数为Rs,单位时间内的暗计数为Rd,与光子到达时间相关的单位时间计数为Re,如果栅极频率为Fg,入射光子脉冲频率为Fp,则脉冲后概率Pa计算如下:

4)SPAD时间抖动:雪崩信号相对于光脉冲同步信号的输出抖动可以在门控模式下测量。该参数表示SPAD单光子雪崩弛豫时间的波动。通常,使用时间相关的单光子计数器来计算有效的雪崩信号。FWHM的时间直方图t抖动,FWHM或采用高带宽示波器来计算有效雪t抖动,有效值为雪崩信号相对于光脉冲同步信号的时间偏移量。对于近高斯分布的时间抖动,一般有:


熊片SPAD(APD)的TCSPC测试解决方案


自由空间熊芯片SPAD TCSPC测试系统

它由皮秒脉冲激光仪器QLD-301自由空间光学设置,用于门控制的数字延迟脉冲发生器,用于70K冷却的低温台系统,光功率计,参考SPD和一组TCSPC主时钟组成



光纤载毛芯片SPAD TCSPC测试系统

它由皮秒脉冲激光仪器QLD-301,光纤设置,用于门控制的数字延迟脉冲发生器,用于70K冷却的定制光纤低温台系统,光功率计,参考SPD和一组TCSPC主时钟组成。

QLD-301 皮秒脉冲激光器包括:

● 信号发生器模块(时钟源分配):可接收外部参考时钟或使用内部时钟源产生同步激光脉冲触发时钟和APD门控时钟,相对延迟可调。一般来说,APD门控时钟的频率是激光触发时钟的整数倍,系统提供2倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍的选项;

● 皮秒脉冲激光器(Pulsed Laser):可产生与触发时钟同步的相同频率的激光脉冲,脉冲宽度小于50ps,消光比大于40dB。此外,它产生的激光同步时钟用作计数模块的输入信号;

● 光功率监测衰减控制模块(ATT):通过高灵敏度光功率监测,控制激光脉冲的衰减,使其衰减到单光子的水平,保证脉冲功率的稳定性。


主时钟

● 4通道输入和4通道输出,通道号可定制,高分辨率高达13ps的bin宽度,每通道时序抖动5.7ps。

● 最大输入电压范围 -3 至 3V(可定制)


高压脉冲发生器

● 4路脉冲输出和8路延时输出,均方根抖动小于25ps,触发速率高达10MHz。

● 高达10V的高压触发信号,这对于SPAD测试设备非常重要。

● 升降时间高达 55ps。


参考防雷器检测器

● 波长覆盖范围 900 - 1700nm(可根据不同应用更改为可见光范围)

● 定时分辨率 150ps 暗计数率 3Khz 时为 20%,1us 至 100us 可调死区时间


带低温载物台的自由空间近红外光学系统

● 测试样品上的 UM 级激光光斑尺寸,带有同轴 NIR 视觉系统,用于光学对准

● 2个调节探针臂进行电子信号测试,低温台温度可达-77K(LN2)



用于70K冷却的定制光纤低温台系统 

● 定制的光纤插入测试室,具有85度的光输出角度。

● 用于光纤对准的顶视图和侧视图可见变焦视觉系统。

● 2个调节探针臂进行电子信号测试,低温台温度可达-77K(LN2)。



性能

具体性能指标参数如下表所示。

参数规范备注
激光 QLD-301-1550
激光重复率1MHz~1.25GHz对于SPAD测试系统,推荐的激光脉冲频率范围为1MHz~100MHz,内部触发
最小脉冲宽度< 50ps, FWHM
时间抖动< 20ps,有效值相对于同步输出进行测量
脉冲消光比>40dB
中心波长1550nm
内部触发延迟范围0~1000nsSPAD 测试系统使用内部触发为SPAD的门控触发时钟生成AUX OUT同步时钟
延迟调整精度10ps
光功率监控灵敏度<-75dBm内部PD灵敏度优于-75dBm,外部35dB固体衰减可支持-110dBm的最小功率检测范围,满足1MHz时μ=0.1的光功率检测要求。
内部可调衰减范围0~40dB
辅助时钟输出频率1MHz~1.25GHz由于SPAD门触发时钟频率,可以设置为激光脉冲重复频率的整数倍
门控发电模块 NPG-1H20
选通外部触发频率覆盖0.1~100MHz
浇口宽度覆盖0.5~2ns,10ps/step编码器调整
栅极幅度覆盖4~6.4V,优于
100mV/step
编码器调整
脉冲极性正脉冲
上升时间<120ps20%~80%
秋季时间<150ps20%~80%
数字延迟/脉冲发生器
渠道4 或 8 输出
神经过敏<25ps
电压输出高达 30V高压栅极信号
升高和下降时间100 ps
单光子探测器
波长范围900-1700
死区范围0.1-100
暗计数率20% @3Khz
时序分辨率150ps
光纤耦合MMF62.5 或可用空间
主时钟
渠道4 路输入和 4 路输出
箱宽度13ps
时间抖动8ps
计数率1GHz


用于封装SPAD (APD) TO46或TO8的TCSPC测试解决方案

封装SPAD测试系统由皮秒脉冲激光仪器QLD-301、闸门控制生成模块NPG-1H20、测试主控模块ATE-301和测试底盘(包括TO46水冷制冷机组)组成。此外,还需要一套TCSPC仪器。用于测试脉冲后和时间抖动。其中,QLD-301是内置信号源的皮秒脉冲激光器,可以产生时延可调的电脉冲和光脉冲(目前是独立的仪器,以后可以升级为模块作为机箱板);


NPG-1H20可以产生幅度和脉冲宽度可调的门控脉冲信号;ATE-301部分包含APD相关模式模块(高压发生,制冷和温度控制,双通道判别计数器);测试用例包括TO46制冷信号提取单元、机箱背板等,其中TO46制冷信号提取单元包括:水冷散热器、保温结构、TEC制冷单元、尖峰噪声抑制和信号提取电路、TO-46夹具和信号接口等。系统组成和原理框图如下图所示:

                                                                    图1 SPAD测试平台的系统组成及原理框图


QLD-301 皮秒脉冲激光器包括:

● 信号发生器模块(时钟源分配):可接收外部参考时钟或使用内部时钟源产生同步激光脉冲触发时钟和APD门控时钟,相对延迟可调。一般来说,APD门控时钟的频率是激光触发时钟的整数倍,系统提供2倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍的选项;

● 皮秒脉冲激光(脉冲激光):可产生与触发时钟同步的相同频率的激光脉冲,脉冲宽度小于50ps,消光比大于40dB。此外,它产生的激光同步时钟用作计数模块的输入信号;

● 光功率监测衰减控制模块(ATT):通过高灵敏度光功率监测,控制激光脉冲的衰减,使其衰减到单光子的水平,保证脉冲功率的稳定性。



NPG-1H20闸门控制发电模块主要包括:

● 触发输入和监控单元,触发频率覆盖0.1~100MHz,兼容任意电平触发输入;

● 闸极控制幅度可调,调节范围4~6.4V,优于100mV/步,编码器调节;

● 栅极宽度可调,调节范围涵盖0.5~2ns,10ps/步,编码器调节。


ATE-301测试主控模块主要包括:

● SPAD相关模块:包括高压发电、冷却和温度控制等模块;该系统基于门控淬灭方法,使SPAD在门控模式下工作,在该模式下测试SPAD的检测效率、归一化暗计数率和脉冲后概率;

● 双通道计数器模块(双通道计数器):用于计数雪崩计数值,后期可升级为重合计数模块,通过时钟与激光同步自动测量脉冲后概率,自动查找峰值并计数重合功能。

                                                                                    图2 方案组成示意图




TO-46测试治具主要有:

● 水冷TEC制冷保温结构:采用工业级三级制冷片,结合水冷散热技术,在20°C室温下可实现≤-60°C的温度控制,满足SPAD的低温要求;尽量减少热辐射和热对流。

● SPAD夹具和模拟前端:采用独特的纯铜导热夹具和高速平衡差分技术,支持TO-46封装的SPAD(最大外径6mm,封装结构见附录1),结构易于更换;尖峰噪声抑制力强,可有效提取SPAD雪崩信号;

● 信号接口:包括光尾纤出口、射频同轴和DB9接口,分别用于传输系统主机的单光子信号、门控输入信号、雪崩输出信号和高压温控接口。


性能

具体性能指标参数如下表所示。


参数规范备注
激光 QLD-301-1550
激光重复率1MHz~1.25GHz对于SPAD测试系统,推荐的激光脉冲频率范围为1MHz~100MHz,内部触发
最小脉冲宽度< 50ps, FWHM
时间抖动< 20ps,有效值相对于同步输出测量
脉冲消光比>40dB
中心波长1550nm
内部触发延迟范围0~1000nsSPAD 测试系统使用内部触发为SPAD的门控触发时钟生成AUX OUT同步时钟
延迟调整精度10点
光功率监控灵敏度<-75dBm内部PD灵敏度优于-75dBm,外部35dB固体衰减可支持-110dBm的最小功率检测范围,满足1MHz时μ=0.1的光功率检测要求。
内部可调衰减范围0~40dB
辅助时钟输出频率1MHz~1.25GHz由于SPAD门触发时钟频率,可以设置为激光脉冲重复频率的整数倍
门控发电模块 NPG-1H20
选通外部触发频率覆盖0.1~100MHz
浇口宽度覆盖0.5~2ns,10ps/step编码器调整
栅极幅度覆盖4~6.4V,优于
100mV/step
编码器调整
脉冲极性正脉搏
上升时间<120ps20%~80%
秋季时间<150ps20%~80%
测试主控制模块 ATE-301-SYS
高压范围50~90V可调
高电压调节分辨率0.01V
限制冷却温度-60 °C在实验室室温20°C的环境下,并保持良好的通风
温度控制精度± 0.1 °C
冷却时间<8min
TCSPC后脉冲测试(目前使用TCSPC进行脉冲后测试,后续功能可升级并嵌入ATE-301-SYS)



系统连接框图

下图是系统连接框图,其中ATE-301-SYS,NPG-1S20和TO-46测试治具都位于测试平台机箱上,可以减小系统尺寸,方便操作。


                                                                                       ATE-301 TO-46 SPAD 测试系统连接框图



                                                     适用的 APD 封装 TO-46 示例图




附录A.激光脉冲每个脉冲平均光子数的校准方法

在SPAD的性能测试之前,有必要准确校准激光器每个脉冲的平均光子数。校准过程有以下方法:


1.间接功率校准法:根据光脉冲重复频率和每个脉冲的平均光子数[2]计算所需的输出功率,然后根据QLD-301的输出功率(显示值或测量值)计算所需的外部衰减值,手持光功率校准外部衰减器的衰减值,使最终输出功率达到预定值。这种方法的主要问题是需要对外部衰减器的值进行额外的校准,操作复杂。


2.直接功率校准法:该方法使用高精度仪器型光功率计,如是德科技81634B,标称测量精度可达-110dBm,但实际测量精度约为-100dBm。如果要求每个脉冲的平均光子数为0.1,则此方法只能用于校准重复频率高于10MHz的光脉冲。该方法的主要问题是其应用范围有限,成本高。


3.单光子计数直接校准方法:该方法使用单光子探测器,其检测效率已校准为直接单光子计数。由于检测效率已知,可以通过计数率和光脉冲频率[3]直接计算每个脉冲的平均光子数。该方法标定速度快,重复性好,适用范围广,简单高效。


下表对比了上述三种方案的特点:


校准方法复杂性成本测量精度
间接功率校准方法
直接功率校准方法中等
单光子计数直接校准方法中等


[1] 如果SPAD处于盖革模式,这个参数通常需要给出一定的死区时间参数,但这个系统采用门控控制模式,其默认的死区时间是一个脉冲周期的长度,所以死区时间一般是这里的最小值。如有必要,可以通过参数增加死区时间的设置。

[2] 例如,1MHz μ处 1550nm 光脉冲的平均功率为 -108.92dBm

[3] 如果单光子检测效率SPDE=10%,则μ=0.1的1MHz光脉冲的计数率为10KHz。