李召輝，吳光

華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

激光距離測(cè)量技術(shù)基于激光波長短、方向性好的特點(diǎn)，是精度最高、作用距離最遠(yuǎn)的測(cè)量技術(shù)。例如：激光干涉儀已經(jīng)形成成熟產(chǎn)品，貨架產(chǎn)品的精度達(dá)到5×10-7，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床和位移平臺(tái)校準(zhǔn)；激光三維成像能夠幫助我們快速測(cè)量目標(biāo)三維輪廓，在地形地貌測(cè)繪[1-5]、無人駕駛( https://velodynelidar.com/，http://www.hesaitech.com/)、城市測(cè)繪[6]等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。然而，遠(yuǎn)距離激光測(cè)量的光信號(hào)非常微弱，例如激光測(cè)距和成像，回波強(qiáng)度與距離的平方至四次方呈倒數(shù)關(guān)系，安裝在近地軌道衛(wèi)星上的1 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，能夠接收的回波強(qiáng)度僅是出射激光的十萬億分之一。因此，提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、增加激光測(cè)量距離是我們不斷追求的目標(biāo)。

光子是光的最小能量單位，可見—近紅外波段單光子能量僅為10-19焦耳量級(jí)，單光子探測(cè)能夠?qū)⒓す鉁y(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度提高至光的能量極限。單光子探測(cè)器件可將單光子轉(zhuǎn)換成宏觀可甄別的電信號(hào)。其中，雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)在偏置高于雪崩點(diǎn)時(shí)進(jìn)入蓋革模式，此時(shí)單個(gè)光生載流子(電子或者空穴)進(jìn)入增益層，在高電場作用下發(fā)生碰撞—激發(fā)—碰撞的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，猶如雪崩一樣，瞬間達(dá)到近似106的增益，從而形成宏觀電流脈沖。目前主要有硅(Si)和銦鎵砷(InGaAs)兩種材料的APD，它們的波長響應(yīng)范圍分別為300～1 000 nm和1 000～1 700 nm。APD是半導(dǎo)體器件，具有量子效率高、尺寸小、容易制備成陣列、無需真空、可室溫工作等優(yōu)點(diǎn)。APD的單光子探測(cè)性能很大程度上取決于增益層電場的瞬態(tài)調(diào)控，所以我們課題組聚焦于APD的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)，研制高性能的單光子探測(cè)器，并克服其在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸，開展遠(yuǎn)距離激光測(cè)距和成像研究。

1 InGaAs APD GHz單光子探測(cè)技術(shù)及其在遠(yuǎn)距離激光測(cè)距中的應(yīng)用

1.0 μm和1.5 μm是兩個(gè)優(yōu)秀的近紅外激光輸出波段，也是大氣傳輸窗口。對(duì)應(yīng)這一波段的是InGaAs APD探測(cè)器件。由于材料的原因，單光子探測(cè)器的死時(shí)間非常大，嚴(yán)重限制了其在高背景環(huán)境下的應(yīng)用。死時(shí)間主要來源于APD的后脈沖效應(yīng)，即當(dāng)APD發(fā)生雪崩時(shí)，半導(dǎo)體材料缺陷會(huì)捕獲載流子，這些載流子會(huì)隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系釋放。載流子釋放且APD恰巧處于蓋革工作模式時(shí)，就會(huì)觸發(fā)新的雪崩計(jì)數(shù)。常規(guī)的抑制電路無法有效抑制InGaAs APD的后脈沖，需要通過電路設(shè)置大于1 μs的死時(shí)間來降低其影響。白天環(huán)境，即使有窄帶濾光片，入射到單光子探測(cè)器的背景光子數(shù)也往往大于106/s。較大的死時(shí)間使得探測(cè)器在沒有探測(cè)到信號(hào)光子時(shí)，往往已經(jīng)被背景光子觸發(fā)而處于死時(shí)間內(nèi)，從而無法有效探測(cè)信號(hào)光子。為了提高單光子探測(cè)器抗背景噪聲的能力，我們發(fā)展GHz單光子探測(cè)技術(shù)，通過給InGaAs APD加載一個(gè)GHz正弦門偏置，使得APD增益層的電場受到正弦波調(diào)制，令其處于蓋革模式的時(shí)間僅約300 ps，大幅減小了雪崩持續(xù)時(shí)間，從而減小了缺陷捕獲載流子的幾率，明顯降低后脈沖。該技術(shù)將InGaAs APD的死時(shí)間降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，減小至約6 ns[7]，因此，探測(cè)器的抗背景噪聲能力提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)?；谶@樣一個(gè)單光子探測(cè)器，我們?cè)? 550 nm波段實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離激光測(cè)距。如圖1所示，我們采用一個(gè)135 mm口徑牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡，搭建了激光測(cè)距裝置。得益于單光子探測(cè)器的極限靈敏度，激光輸出的單脈沖能量僅為10 nJ，在青海湖實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)32 km的自然目標(biāo)測(cè)距實(shí)驗(yàn)[8]。

圖1 青海湖InGaAs APD GHz單光子探測(cè)激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)：(a)激光測(cè)距裝置；(b)視場內(nèi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片；(c)3.2 km高壓電線的回波信號(hào)；(d)21 km斜坡回波；(e)為21 km處多個(gè)目標(biāo)的回波；(f)分別來自5.1 km和21 km的大動(dòng)態(tài)范圍回波

2 多通道單光子探測(cè)及激光三維成像

激光三維成像有凝視和掃描兩種方式：前者類似傳統(tǒng)的相機(jī)成像，將激光光斑照覆蓋目標(biāo)表面，通過焦平面探測(cè)器陣列探測(cè)激光回波圖像；后者高速掃描準(zhǔn)直的激光光束，采用點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)回波。雖然凝視型方法結(jié)構(gòu)簡單，但在遠(yuǎn)距離測(cè)量中，掃描方式更能發(fā)揮激光光束方向性優(yōu)勢(shì)，并且采用多光束掃描方法能夠提高成像速率。例如：無人駕駛車載激光雷達(dá)已經(jīng)將光束提升至64～128線，以滿足無人駕駛對(duì)于高分辨率和高成像速率的要求。但是，受限于激光功率，光束數(shù)量與最遠(yuǎn)測(cè)量距離形成了相互制約的矛盾。目前最高水平的無人駕駛車載激光雷達(dá)采用128光束，量程小于200 m。單光子探測(cè)器能夠在不增加激光功率的前提下，增加光束規(guī)模和測(cè)量距離。針對(duì)多光束特點(diǎn)，我們研制了100通道Si APD單光子探測(cè)器，并基于該探測(cè)器，搭建了100光束激光成像雷達(dá)，如圖2所示。100通道單光子探測(cè)器將每個(gè)光束的回波探測(cè)能力提高至單光子水平，使得我們僅用15 mW的激光，就實(shí)現(xiàn)了2.5 km距離范圍的激光三維成像[9]。我們?cè)谇嗪：M(jìn)一步測(cè)試了這套系統(tǒng)的極限靈敏度，同樣的激光功率，通過長時(shí)間累積實(shí)現(xiàn)了25 km距離的三維點(diǎn)云探測(cè)。

圖2 百光束單光子探測(cè)激光成像：(a)多通道單光子探測(cè)及激光三維成像系統(tǒng)；(b)目標(biāo)照片；(c)大范圍三維圖；(d)紅色框圖內(nèi)建筑三維圖

3 測(cè)量系統(tǒng)

時(shí)間高精度的單光子探測(cè)器在高精度激光測(cè)距和時(shí)頻傳輸中有重要的應(yīng)用，例如在衛(wèi)星激光測(cè)距中，采用皮秒脈沖激光和小于75 ps RMS抖動(dòng)的單光子探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于1 cm的衛(wèi)星軌道測(cè)量。隨著我們對(duì)于定位和測(cè)量的精度要求不斷提升，星地時(shí)頻傳輸?shù)臅r(shí)間穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到0.1 ps@300 s，對(duì)于單光子探測(cè)器時(shí)間精度提出了更高的要求。我們發(fā)展一系列高精度探測(cè)技術(shù)，采用國內(nèi)自主研制的Si APD芯片，將Si APD單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)降低至20 ps RMS(圖3(a))。并且，針對(duì)星載運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)被動(dòng)延時(shí)補(bǔ)償電路，如圖3(b)所示，其在工作溫度范圍內(nèi)，使延時(shí)隨溫度變化接近零漂移。針對(duì)地面衛(wèi)星激光測(cè)距站環(huán)境溫度變化范圍大的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)分段穩(wěn)定方法，在-30 ℃～40℃范圍內(nèi)，將探測(cè)器延時(shí)波動(dòng)控制在±10 ps以內(nèi)，如圖3(c)所示，為高精度衛(wèi)星激光測(cè)距提供核心技術(shù)模塊。

圖3 高精度單光子探測(cè)技術(shù)。(a)高精度單光子探測(cè)器；(b)被動(dòng)補(bǔ)償情況下延時(shí)隨溫度漂移圖；(c)多段溫控補(bǔ)償情況下延時(shí)隨溫度漂移圖

4 結(jié)語

單光子探測(cè)技術(shù)是一種傳統(tǒng)的直接光電探測(cè)技術(shù)，在熒光檢測(cè)和夜視成像等方面有悠久的研究歷史。近年來，隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，工作在蓋革模式的APD單光子探測(cè)器在激光測(cè)距和成像領(lǐng)域開始引起人們的關(guān)注，但是真正走向?qū)嵱眠€需克服許多技術(shù)瓶頸。我們實(shí)驗(yàn)室攻克了死時(shí)間、多通道、時(shí)間精度等技術(shù)難題，推動(dòng)了單光子探測(cè)激光距離測(cè)量的實(shí)用化進(jìn)程。