李 千,吳志勇,高世杰,陳云善,吳佳彬

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

FSO技術(shù)結(jié)合了無線通信與光纖通信的優(yōu)點(diǎn),因具有保密性高、速率快等優(yōu)勢而受到人們的廣泛關(guān)注[1]。APD是一種性能優(yōu)越的光電探測器,它的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PIN光電二極管、CCD等器件,但單個(gè)APD難以做到同時(shí)兼顧光敏面面積與上升時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo),這限制了它進(jìn)一步的應(yīng)用。近年來,人們開始研制由多個(gè)APD組成的陣列探測器,并將其應(yīng)用于FSO中,這對于減小FSO系統(tǒng)的重量體積、提高系統(tǒng)靈敏度等都有重要意義。目前APD陣列的研制也面臨一些困難,例如在陣列達(dá)到一定規(guī)模后存在難以保證APD性能的均一性、與之搭配的讀出電路設(shè)計(jì)也十分復(fù)雜等問題。本文結(jié)合APD探測器的結(jié)構(gòu),分析了FSO系統(tǒng)對接收器性能的需求,介紹了國內(nèi)外將APD陣列應(yīng)用于FSO系統(tǒng)所做的研究工作,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 典型APD陣列簡述

APD陣列并不只是簡單地將APD拼接在一起,而是將門電路、APD、移位寄存器等部件有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體。目前APD陣列的集成方式有兩種,分別是混合集成技術(shù)和單片集成技術(shù)[2]。單片集成技術(shù)是指將APD與控制電路作為一個(gè)整體同時(shí)加工,該技術(shù)的主要代表是意大利的米蘭工業(yè)大學(xué)和瑞士的洛桑工業(yè)大學(xué)。混合集成技術(shù)是指將APD與控制電路分別進(jìn)行加工,最后通過橋接技術(shù)將二者集成在一起,該技術(shù)的典型代表是美國的林肯實(shí)驗(yàn)室。圖1與圖2分別為利用單片集成技術(shù)和混合集成技術(shù)集成后的APD 陣列顯微照片。

圖1 APD/CMOS橋接后的顯微照片

圖2 混合集成APD陣列照片

3 FSO對APD陣列探測器的性能需求

FSO系統(tǒng)中的探測器主要有兩類:一類是位置探測器,負(fù)責(zé)感知目標(biāo)的位置信息；另一類是信息接收器,負(fù)責(zé)接收信息。以往這兩類探測器都采用PIN管,因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、噪聲可控,但它的靈敏度不是很高。隨著技術(shù)的發(fā)展,APD逐漸解決了自身噪聲過大的問題,開始在FSO系統(tǒng)中逐漸取代PIN管。

APD作為通信信號探測器時(shí),需要特別的注重APD的響應(yīng)速度,也就是上升時(shí)間這個(gè)參數(shù)。APD的上升時(shí)間限定了其響應(yīng)帶寬,而APD的光敏面尺寸與上升時(shí)間呈反比關(guān)系,選擇光敏面的尺寸大小需要折中考慮[3]。因此通信接收器一般選用低電容的、具有較小的光敏面面積的APD以使得帶寬和靈敏度最大化,而位置探測器則要求探測單元具有較大光敏面面積且具有位置感知能力。這樣就造成現(xiàn)有的位置探測器在作為數(shù)據(jù)接收器時(shí)不能提供足夠的帶寬以及靈敏度,而數(shù)據(jù)接收器用作位置探測器時(shí)則缺少光敏面面積及空間分辨力。隨著近年來由多個(gè)APD組成的陣列探測器開始應(yīng)用于FSO系統(tǒng)中,人們發(fā)現(xiàn)這種由多個(gè)較小的單元組成的APD探測器陣列在提供了足夠的光敏面面積同時(shí)還保持了高帶寬、高靈敏度,因此它具備同時(shí)充當(dāng)FSO系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收器與位置探測器的潛力。

采用APD陣列探測器的FSO探測器具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢:

(1)能實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信一體化,降低FSO系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。由于不用進(jìn)行分光,能夠大大提高進(jìn)光量,因此不需要使用大口徑的光學(xué)天線,這將顯著降低系統(tǒng)的體積與重量,這對于FSO通信在深空探測以及各種移動終端的應(yīng)用來說尤為重要。

(2)隨著APD陣列規(guī)模的不斷拓展,陣列的光敏面面積也隨之?dāng)U大,這有利于降低對粗跟蹤系統(tǒng)的精度要求,降低FSO系統(tǒng)的成本。

(3)陣列 APD 能夠有效地降低蓋革模式APD探測概率極大值的漂移,對于強(qiáng)背景噪聲的探測環(huán)境,陣列APD能夠提高信號回波探測的銳度,有利于信號在強(qiáng)背景噪聲中的識別。

4 國內(nèi)外用于無線光通信的APD陣列發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行該領(lǐng)域的研究,美國的麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室以及海軍實(shí)驗(yàn)室和法國微電子研發(fā)機(jī)構(gòu)CEA/LETI便是其中的典型代表。

4.1 美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究情況

麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗(yàn)室是最早研究該領(lǐng)域的幾家機(jī)構(gòu)之一,他們初期的研究是圍繞著激光雷達(dá)系統(tǒng)來展開的,作為激光雷達(dá)系統(tǒng)核心部件之一的APD陣列在這個(gè)過程中得到了很大的發(fā)展,表1展示了其主要成果。林肯實(shí)驗(yàn)室隨后進(jìn)行了對APD陣列應(yīng)用在FSO通信的研究。

表1 林肯實(shí)驗(yàn)室APD陣列主要成果

4.1.1 林肯分立光學(xué)接收架構(gòu)(LDORA)

林肯實(shí)驗(yàn)室于2004年提出一種新型的激光通信接收機(jī)架構(gòu),他們稱其為林肯分立光學(xué)接收架構(gòu)(the Lincoln Distributed Optical Receive Architecture,LDORA)。這種架構(gòu)包括一個(gè)集成的望遠(yuǎn)鏡陣列,其中的每個(gè)望遠(yuǎn)鏡都會配備一個(gè)蓋革模式APD陣列,還會配備快速反射鏡來進(jìn)行瞄準(zhǔn)與跟蹤[4]。望遠(yuǎn)鏡陣列既可以像圖3那樣共同集成在一個(gè)固定結(jié)構(gòu)上,還可以像圖4那樣分立式集成。如果采用圖4分立式的集成方式,還需要用特殊的方式來進(jìn)行同步,為此,林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了如圖5所示的同步裝置。通過計(jì)算每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間偏差,測量量可以被重新同步,并且這種時(shí)間偏差可以通過仔細(xì)的測量陣列并計(jì)算動態(tài)變化的瞄準(zhǔn)角度來進(jìn)行脫機(jī)的預(yù)測。

圖3 集成在固定結(jié)構(gòu)上的望遠(yuǎn)鏡陣列

圖4 獨(dú)立集成的望遠(yuǎn)鏡

圖5 LDORA 架構(gòu)

LDORA架構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn):

(1)由于其本身獨(dú)特的架構(gòu),使用者可以靈活調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的尺寸與數(shù)量,在保證性能的基礎(chǔ)上大大降低成本。

(2)如果單個(gè)望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)故障,剩余的可以繼續(xù)工作。事實(shí)上,在容量足夠的情況下,一個(gè)陣列可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。

(3)大口徑的望遠(yuǎn)鏡通常不能在白天工作,因?yàn)檫@會對結(jié)構(gòu)造成損壞。小口徑的望遠(yuǎn)鏡陣列則不存在這個(gè)問題。

(4)體積重量較小,可以安裝在卡車上,這可以大大拓展其應(yīng)用范圍。

(5)應(yīng)用不僅僅局限于陸地,LDORA陣列可以被裝載在衛(wèi)星上。

4.1.2 硅基蓋革模式的APD陣列對在1550 nm波段光子的探測

林肯實(shí)驗(yàn)室還展開了對硅基蓋革模式的APD陣列(Si GM-APDs)的研究。Si GM-APDs作為光子計(jì)數(shù)接收器具有許多理想的特性,包括單光子探測效率高,冷卻時(shí)間短等,然而其能探測到的的光子波長范圍僅為500～800 nm,不能探測到近紅外的光子。2007年,他們提出了一種如圖6所示的解決方案,將一個(gè)由周期性極化鈮酸鋰(PPLN)波導(dǎo)管構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器與Si GM-APDs組合起來[5]。通過這種方法他們實(shí)現(xiàn)了用Si GM-APDs對在1550 nm波段光子的探測,使用單個(gè)APD在速率為5.5 Mb/s時(shí)達(dá)到了1.4光子/比特的靈敏度,在速率為22 Mb/s時(shí)達(dá)到了3.5光子/比特的靈敏度,隨后又使用5×5APD陣列在速率為78 Mb/s時(shí)達(dá)到了4光子/比特的靈敏度。這對于拓展Si GM-APDs陣列的應(yīng)用范圍具有重要意義。

圖6 基于周期極化鈮酸鋰的波長轉(zhuǎn)換

4.1.3 基于GM-APD的新型激光通信與空間追蹤系統(tǒng)

2016年,林肯實(shí)驗(yàn)室研制了一套基于GM-APD的新型激光通信與空間追蹤系統(tǒng),其使用的APD陣列拓展到了32×32共1024個(gè)單元,陣列的有效區(qū)域面積為100 μm2。如圖7所示,他們采用了一種帶熱電冷卻器的氣密封裝方式將陣列、微透鏡以及集成讀出電路(ROIC)都被結(jié)合在一起。如此多的單元數(shù)量能夠在大氣湍流的干擾下維持很高的通訊速率。在速率為78.8 Mb/s時(shí)達(dá)到了1.34光子/比特的靈敏度,在速率為19.4 Mb/s時(shí)達(dá)到了0.95光子/比特的靈敏度[6]。另外,陣列可以記錄每次入射光子的空間坐標(biāo),通過計(jì)算入射光子分布的幾何中心,就可以確定探測到的光子的入射角。

圖7 用帶熱電冷卻器的氣密封裝方式將GM-APD 陣列和微透鏡和ROIC組裝起來

這個(gè)探測陣列所具有的一個(gè)獨(dú)特的裝置就是它的ROIC。傳統(tǒng)探測陣列有兩種工作模式:同步模式或是異步模式。林肯實(shí)驗(yàn)室通過研制一種新型ROIC架構(gòu)融合了這兩種模式的優(yōu)點(diǎn),使得入射光子的空間與時(shí)間信息都能被持續(xù)的記錄下來,這就讓這種陣列具備了同時(shí)充當(dāng)通信接收器和空間追蹤器的能力。

由于這個(gè)GM-APD陣列還處于研究階段,因此難以保證每個(gè)單元的均一性,這就造成了在施加了-30.6 V的偏置電壓后,陣列中的一些單元會持續(xù)雪崩。這些問題單元會大大增加系統(tǒng)的本底噪聲,對周圍的單元產(chǎn)生串?dāng)_,對整個(gè)陣列的探測靈敏度造成顯著的不利影響。

林肯實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題可以通過ROIC對于偏置電壓的管理來解決,通過對暗計(jì)數(shù)的預(yù)處理來生成一個(gè)包含最有問題單元的掩模,移除有問題的單元的偏置電壓來使它們失效。圖8展示了這樣做的結(jié)果,暗計(jì)數(shù)值前5%的問題單元被ROIC剔除,得到的結(jié)果十分理想。

圖8 對異常單元的處理

4.2 美國海軍實(shí)驗(yàn)室研究情況

美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)在這個(gè)領(lǐng)域也頗有建樹,不同于林肯實(shí)驗(yàn)室,他們沒有選擇蓋革模式的APD,而是著眼于改進(jìn)工作于線性模式的InGaAs APD,這種APD工作波段為1550 nm,這既有利于用其構(gòu)建工作于人眼安全波長的系統(tǒng),也有利于充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的器件。

4.2.1 新型APD的研制

傳統(tǒng)的InGaAs APD存在一個(gè)InGaAs光電探測區(qū)和一個(gè)InP雪崩區(qū)。不同于Si-APD,InP中的被激發(fā)的電子與空穴數(shù)目幾乎相等,它的離子化率k=0.5,這就造成了這種APD的增益越高,額外的噪聲也就越大。NRL在2005年開始與Optogration公司以及弗吉尼亞大學(xué)合作研發(fā)一種擁有更好噪聲特性的APD。如圖9所示,他們采用更薄的以InAlAs為材料的雪崩區(qū),這使得其k值降低到0.2,其相較于InP APD的靈敏度提高了4 dB。NRL使用直徑為200 μm的這種APD在速率為622 Mbps時(shí)達(dá)到了-42 dBm的靈敏度[7]。

在2016年,他們又研制了更加先進(jìn)的impact ionization engineered(I2E) APD。如圖10所示,I2E器件在倍增區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了多周期的操作去加強(qiáng)期望載流子的離子化同時(shí)抑制其他的離子化。這樣,從高電位區(qū)域發(fā)射出來的電子會具有很高的離子化率,而從低電位發(fā)射的空穴就會具有很低的離子化率。因?yàn)檫@個(gè)進(jìn)程將會在倍增區(qū)重復(fù)進(jìn)行許多次,這樣就會在產(chǎn)生更多可以預(yù)知的離子化的同時(shí)大大降低了額外的噪聲。目前,Optogration制造的三周期的I2E器件的k可以達(dá)到0.1,這使得其靈敏度又提升了2～3 dB[8]。

4.2.2 APD陣列結(jié)構(gòu)及算法研究

除了進(jìn)行對APD器件本身的研究,NRL還針對APD陣列結(jié)構(gòu)及算法展開了研究。他們在2008年提出一種2×2的APD陣列結(jié)構(gòu)[9]。如圖11所示,陣列中每個(gè)正方形的單元同時(shí)作為數(shù)據(jù)接收器與位置探測器。每個(gè)單元都具有100 μm×100 μm的光敏面面積,帶寬高達(dá)2.5 Gbps。

圖11 2×2 APD陣列結(jié)構(gòu)

NRL為其設(shè)計(jì)的判決策略有三種:“sum2”、“sum all”、“winner takes all”。NRL對這三種策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試與外場測試。實(shí)驗(yàn)室測試是驗(yàn)證每種判決策略在不同的照射條件下的信噪比變化。圖12是測試結(jié)果,結(jié)果顯示:winner takes all策略在只有一個(gè)單元被照亮?xí)r的信噪比最高,Sum 2策略在有兩個(gè)單元被照亮?xí)r信噪比最高,sum 4策略在四個(gè)單元全被照亮?xí)r信噪比最高。

圖12 不同光照配置下的算法表現(xiàn)

外場測試是用1.55 μm FSO鏈路來對APD陣列和判決電路進(jìn)行測試,測試框圖如13所示。圖14顯示了APD接收的各個(gè)信道的信號的能量大小。可以看出,能量隨著時(shí)間在各個(gè)信道之間來回移動,可以推測這是由于大氣湍流所造成的影響。因此在這種情況下選用winner takes all策略的效果與sum all相比較差。圖15是采用sum all策略得到的信號,顯然采用這種策略能在大氣湍流影響的情況下顯著地提升接收信號的信噪比。

圖13 外場測試框圖

圖14 通道信號強(qiáng)度/時(shí)間圖

圖15 通道信號總輸出圖

圖16顯示了外場測試的第二天APD接收的各個(gè)信道的信號。由于沒有大氣湍流的影響,各個(gè)信道的信號基本相同,這時(shí)采用sum all的策略效果會不及winner takes all策略,因?yàn)檫@樣會混入其他信道信號的噪聲而降低信噪比。

2014年,NRL研制出了一種五單元的APD陣列,結(jié)構(gòu)如圖17所示。與上文2×2的陣列不同的是,這種APD陣列只采用中央的單元來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,這樣就避免了信號合并帶來的噪聲污染。研究結(jié)果顯示,其對入射光斑的面積也有一定要求。如果四周單元的入射能量不夠,就會影響位置探測的表現(xiàn),若入射光斑的面積遠(yuǎn)大于中央接收單元的面積,又會損失信號接收的效率[10]。最終采用的光斑面積比中間接收單元的稍大一點(diǎn),直徑大約為150 μm。

圖16 在無大氣湍流情況下接受的數(shù)據(jù)

圖17 五單元APD陣列的顯微照片

4.3 法國微電子研發(fā)機(jī)構(gòu)CEA/LETI研究情況

HgCdTe APD探測器陣列是20世紀(jì)90年代新開發(fā)出的APD探測器,它具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),離子化率k值甚至可以達(dá)到1或0,理論上可以完全消除噪聲,此外它還具有極高靈敏度和響應(yīng)速度,可制成大面陣,其探測響應(yīng)截止波長可調(diào)等優(yōu)良特性。

2011年,法國CEA/LETI和DEFIR實(shí)驗(yàn)室研制了一種具備主動和被動成像能力的HgCdTe APD三維閃光激光雷達(dá),陣列大小為320×256[11]。2015年CEA/LETI開始探索HgCdTe APD 探測器陣列在FSO系統(tǒng)中的應(yīng)用[12]。

4.4 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)研究情況

我國在此領(lǐng)域的研究開展得較晚,主要研究機(jī)構(gòu)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、中科院長春光機(jī)所等。表2列舉了這些科研機(jī)構(gòu)的主要研究成果。

表2 國內(nèi)機(jī)構(gòu)主要成果

5 發(fā)展趨勢

自從1998年林肯實(shí)驗(yàn)室利用混合集成方式首次制成了4×4的APD陣列以后,西方發(fā)達(dá)國家意識到了APD陣列的使用將會給FSO通信及激光主動探測領(lǐng)域帶來巨大的變革,美、英、法等國紛紛開展了對此的研究。林肯實(shí)驗(yàn)室研究重點(diǎn)是蓋革模式的APD陣列,他們提出了新型的激光通信接收機(jī)架構(gòu),拓展了APD陣列的探測波長范圍,隨后研制了一套基于GM-APD的新型激光通信與空間追蹤系統(tǒng)。美國海軍實(shí)驗(yàn)室則立足于線性模式APD,改進(jìn)結(jié)構(gòu),研發(fā)出新型的APD器件,接著針對APD陣列結(jié)構(gòu)及算法展開了研究。法國CEA/LETI則選擇了新型的HgCdTe APD作為FSO以及激光雷達(dá)的核心部件。

我國近年來有越來越多的科研機(jī)構(gòu)開始從事該領(lǐng)域的研究,例如東南大學(xué)專注于APD陣列讀出電路的研究,哈工大設(shè)計(jì)了APD陣列探測器,上海光機(jī)所以及長春光機(jī)所進(jìn)行了激光雷達(dá)的研制,但我國研制的APD陣列與國外相比靈敏度不高、陣列規(guī)模較小,并且暫時(shí)還沒有機(jī)構(gòu)從事將APD陣列探測器應(yīng)用于FSO通信的研究。

綜上所述,APD陣列探測器在自由空間光通信上應(yīng)用的發(fā)展趨勢如下:

(1)APD性能的繼續(xù)提升。研究如何通過改進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)等方式進(jìn)一步降低APD的噪聲,提高靈敏度,提高帶寬仍是未來研究的目標(biāo),這也是構(gòu)建高水準(zhǔn)APD陣列的基礎(chǔ)。

(2)線性化。蓋革模式的APD陣列技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟,但蓋革模式APD探測器存在重要技術(shù)限制:第一,雪崩擊穿后需要復(fù)位時(shí)間;第二,蓋革模式的探測器存在高虛警率問題,探測器存在對背景光子計(jì)數(shù)或探測器的暗計(jì)數(shù)率;線性模式的APD 探測器則無需恢復(fù)時(shí)間,并且探測器可區(qū)分雜散輻射和信號光子,其主要缺陷在于需要復(fù)雜的控制電路以及功耗問題。隨著技術(shù)的發(fā)展,工作于線性模式的APD陣列的功耗問題逐步得到解決,預(yù)計(jì)線性模式APD 探測器也會成為FSO探測器的重要發(fā)展方向。

(3)陣列化。APD陣列從最初的2×2發(fā)展到目前的320×256,未來陣列規(guī)模還會繼續(xù)擴(kuò)大。陣列化不僅對解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的大氣湍流等問題很有幫助,APD陣列化后還會具有探測位置的能力,未來可以同時(shí)充當(dāng)FSO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收器與位置探測器,這將大大簡化FSO系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì),降低系統(tǒng)的體積與重量。

6 結(jié) 語

本文分析了FSO對APD陣列探測器的性能需求,回顧了國內(nèi)外近年來用于FSO的APD陣列的研究現(xiàn)狀,對APD陣列探測器在FSO應(yīng)用的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測與總結(jié)。APD陣列探測器以其獨(dú)特的優(yōu)勢在FSO系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色,受到了西方發(fā)達(dá)國家的高度重視,他們已經(jīng)率先對其進(jìn)行了一系列的研究?？梢钥闯?國外科研機(jī)構(gòu)的研究基本都是遵循著器件本體研究-陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-應(yīng)用算法研究的軌跡進(jìn)行的。反觀國內(nèi),從事器件本體研究的機(jī)構(gòu)較少,大多都熱衷于直接購買進(jìn)口器件來研究應(yīng)用算法。而事實(shí)上由于國外的封鎖,我們往往不能得到高性能、大規(guī)模的APD陣列,這極大地限制了我國在該領(lǐng)域研究的發(fā)展。目前需要國家加大在器件本體研究方面的投入,以盡快研制出先進(jìn)的APD器件,力爭使我國在FSO領(lǐng)域快速趕上發(fā)達(dá)國家的腳步。

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