APD阵列探测器在自由空间光通信上的应用研究

李 千,吴志勇,高世杰,陈云善,吴佳彬

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033; 2.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

FSO技术结合了无线通信与光纤通信的优点,因具有保密性高、速率快等优势而受到人们的广泛关注[1]。APD是一种性能优越的光电探测器,它的灵敏度远远高于PIN光电二极管、CCD等器件,但单个APD难以做到同时兼顾光敏面面积与上升时间两项指标,这限制了它进一步的应用。近年来,人们开始研制由多个APD组成的阵列探测器,并将其应用于FSO中,这对于减小FSO系统的重量体积、提高系统灵敏度等都有重要意义。目前APD阵列的研制也面临一些困难,例如在阵列达到一定规模后存在难以保证APD性能的均一性、与之搭配的读出电路设计也十分复杂等问题。本文结合APD探测器的结构,分析了FSO系统对接收器性能的需求,介绍了国内外将APD阵列应用于FSO系统所做的研究工作,并对其发展趋势进行了展望。

2 典型APD阵列简述

APD阵列并不只是简单地将APD拼接在一起,而是将门电路、APD、移位寄存器等部件有机地结合为一个整体。目前APD阵列的集成方式有两种,分别是混合集成技术和单片集成技术[2]。单片集成技术是指将APD与控制电路作为一个整体同时加工,该技术的主要代表是意大利的米兰工业大学和瑞士的洛桑工业大学。混合集成技术是指将APD与控制电路分别进行加工,最后通过桥接技术将二者集成在一起,该技术的典型代表是美国的林肯实验室。图1与图2分别为利用单片集成技术和混合集成技术集成后的APD 阵列显微照片。

图1 APD/CMOS桥接后的显微照片

图2 混合集成APD阵列照片

3 FSO对APD阵列探测器的性能需求

FSO系统中的探测器主要有两类:一类是位置探测器,负责感知目标的位置信息；另一类是信息接收器,负责接收信息。以往这两类探测器都采用PIN管,因为它结构简单、噪声可控,但它的灵敏度不是很高。随着技术的发展,APD逐渐解决了自身噪声过大的问题,开始在FSO系统中逐渐取代PIN管。

APD作为通信信号探测器时,需要特别的注重APD的响应速度,也就是上升时间这个参数。APD的上升时间限定了其响应带宽,而APD的光敏面尺寸与上升时间呈反比关系,选择光敏面的尺寸大小需要折中考虑[3]。因此通信接收器一般选用低电容的、具有较小的光敏面面积的APD以使得带宽和灵敏度最大化,而位置探测器则要求探测单元具有较大光敏面面积且具有位置感知能力。这样就造成现有的位置探测器在作为数据接收器时不能提供足够的带宽以及灵敏度,而数据接收器用作位置探测器时则缺少光敏面面积及空间分辨力。随着近年来由多个APD组成的阵列探测器开始应用于FSO系统中,人们发现这种由多个较小的单元组成的APD探测器阵列在提供了足够的光敏面面积同时还保持了高带宽、高灵敏度,因此它具备同时充当FSO系统数据接收器与位置探测器的潜力。

采用APD阵列探测器的FSO探测器具有许多独特的优势:

(1)能实现跟踪与通信一体化,降低FSO系统光路设计的复杂度。由于不用进行分光,能够大大提高进光量,因此不需要使用大口径的光学天线,这将显著降低系统的体积与重量,这对于FSO通信在深空探测以及各种移动终端的应用来说尤为重要。

(2)随着APD阵列规模的不断拓展,阵列的光敏面面积也随之扩大,这有利于降低对粗跟踪系统的精度要求,降低FSO系统的成本。

(3)阵列 APD 能够有效地降低盖革模式APD探测概率极大值的漂移,对于强背景噪声的探测环境,阵列APD能够提高信号回波探测的锐度,有利于信号在强背景噪声中的识别。

4 国内外用于无线光通信的APD阵列发展现状

国内外很多机构都在进行该领域的研究,美国的麻省理工学院林肯实验室以及海军实验室和法国微电子研发机构CEA/LETI便是其中的典型代表。

4.1 美国麻省理工学院林肯实验室研究情况

麻省理工学院(MIT)林肯实验室是最早研究该领域的几家机构之一,他们初期的研究是围绕着激光雷达系统来展开的,作为激光雷达系统核心部件之一的APD阵列在这个过程中得到了很大的发展,表1展示了其主要成果。林肯实验室随后进行了对APD阵列应用在FSO通信的研究。

表1 林肯实验室APD阵列主要成果

4.1.1 林肯分立光学接收架构(LDORA)

林肯实验室于2004年提出一种新型的激光通信接收机架构,他们称其为林肯分立光学接收架构(the Lincoln Distributed Optical Receive Architecture,LDORA)。这种架构包括一个集成的望远镜阵列,其中的每个望远镜都会配备一个盖革模式APD阵列,还会配备快速反射镜来进行瞄准与跟踪[4]。望远镜阵列既可以像图3那样共同集成在一个固定结构上,还可以像图4那样分立式集成。如果采用图4分立式的集成方式,还需要用特殊的方式来进行同步,为此,林肯实验室设计了如图5所示的同步装置。通过计算每个望远镜的时间偏差,测量量可以被重新同步,并且这种时间偏差可以通过仔细的测量阵列并计算动态变化的瞄准角度来进行脱机的预测。

图3 集成在固定结构上的望远镜阵列

图4 独立集成的望远镜

图5 LDORA 架构

LDORA架构具有许多优点:

(1)由于其本身独特的架构,使用者可以灵活调整望远镜的尺寸与数量,在保证性能的基础上大大降低成本。

(2)如果单个望远镜出现故障,剩余的可以继续工作。事实上,在容量足够的情况下,一个阵列可以同时执行多个任务。

(3)大口径的望远镜通常不能在白天工作,因为这会对结构造成损坏。小口径的望远镜阵列则不存在这个问题。

(4)体积重量较小,可以安装在卡车上,这可以大大拓展其应用范围。

(5)应用不仅仅局限于陆地,LDORA阵列可以被装载在卫星上。

4.1.2 硅基盖革模式的APD阵列对在1550 nm波段光子的探测

林肯实验室还展开了对硅基盖革模式的APD阵列(Si GM-APDs)的研究。Si GM-APDs作为光子计数接收器具有许多理想的特性,包括单光子探测效率高,冷却时间短等,然而其能探测到的的光子波长范围仅为500～800 nm,不能探测到近红外的光子。2007年,他们提出了一种如图6所示的解决方案,将一个由周期性极化铌酸锂(PPLN)波导管构成的波长转换器与Si GM-APDs组合起来[5]。通过这种方法他们实现了用Si GM-APDs对在1550 nm波段光子的探测,使用单个APD在速率为5.5 Mb/s时达到了1.4光子/比特的灵敏度,在速率为22 Mb/s时达到了3.5光子/比特的灵敏度,随后又使用5×5APD阵列在速率为78 Mb/s时达到了4光子/比特的灵敏度。这对于拓展Si GM-APDs阵列的应用范围具有重要意义。

图6 基于周期极化铌酸锂的波长转换

4.1.3 基于GM-APD的新型激光通信与空间追踪系统

2016年,林肯实验室研制了一套基于GM-APD的新型激光通信与空间追踪系统,其使用的APD阵列拓展到了32×32共1024个单元,阵列的有效区域面积为100 μm2。如图7所示,他们采用了一种带热电冷却器的气密封装方式将阵列、微透镜以及集成读出电路(ROIC)都被结合在一起。如此多的单元数量能够在大气湍流的干扰下维持很高的通讯速率。在速率为78.8 Mb/s时达到了1.34光子/比特的灵敏度,在速率为19.4 Mb/s时达到了0.95光子/比特的灵敏度[6]。另外,阵列可以记录每次入射光子的空间坐标,通过计算入射光子分布的几何中心,就可以确定探测到的光子的入射角。

图7 用带热电冷却器的气密封装方式将GM-APD 阵列和微透镜和ROIC组装起来

这个探测阵列所具有的一个独特的装置就是它的ROIC。传统探测阵列有两种工作模式:同步模式或是异步模式。林肯实验室通过研制一种新型ROIC架构融合了这两种模式的优点,使得入射光子的空间与时间信息都能被持续的记录下来,这就让这种阵列具备了同时充当通信接收器和空间追踪器的能力。

由于这个GM-APD阵列还处于研究阶段,因此难以保证每个单元的均一性,这就造成了在施加了-30.6 V的偏置电压后,阵列中的一些单元会持续雪崩。这些问题单元会大大增加系统的本底噪声,对周围的单元产生串扰,对整个阵列的探测灵敏度造成显著的不利影响。

林肯实验室发现这个问题可以通过ROIC对于偏置电压的管理来解决,通过对暗计数的预处理来生成一个包含最有问题单元的掩模,移除有问题的单元的偏置电压来使它们失效。图8展示了这样做的结果,暗计数值前5%的问题单元被ROIC剔除,得到的结果十分理想。

图8 对异常单元的处理

4.2 美国海军实验室研究情况

美国海军实验室(NRL)在这个领域也颇有建树,不同于林肯实验室,他们没有选择盖革模式的APD,而是着眼于改进工作于线性模式的InGaAs APD,这种APD工作波段为1550 nm,这既有利于用其构建工作于人眼安全波长的系统,也有利于充分利用现有标准的器件。

4.2.1 新型APD的研制

传统的InGaAs APD存在一个InGaAs光电探测区和一个InP雪崩区。不同于Si-APD,InP中的被激发的电子与空穴数目几乎相等,它的离子化率k=0.5,这就造成了这种APD的增益越高,额外的噪声也就越大。NRL在2005年开始与Optogration公司以及弗吉尼亚大学合作研发一种拥有更好噪声特性的APD。如图9所示,他们采用更薄的以InAlAs为材料的雪崩区,这使得其k值降低到0.2,其相较于InP APD的灵敏度提高了4 dB。NRL使用直径为200 μm的这种APD在速率为622 Mbps时达到了-42 dBm的灵敏度[7]。

在2016年,他们又研制了更加先进的impact ionization engineered(I2E) APD。如图10所示,I2E器件在倍增区域实现了多周期的操作去加强期望载流子的离子化同时抑制其他的离子化。这样,从高电位区域发射出来的电子会具有很高的离子化率,而从低电位发射的空穴就会具有很低的离子化率。因为这个进程将会在倍增区重复进行许多次,这样就会在产生更多可以预知的离子化的同时大大降低了额外的噪声。目前,Optogration制造的三周期的I2E器件的k可以达到0.1,这使得其灵敏度又提升了2～3 dB[8]。

4.2.2 APD阵列结构及算法研究

除了进行对APD器件本身的研究,NRL还针对APD阵列结构及算法展开了研究。他们在2008年提出一种2×2的APD阵列结构[9]。如图11所示,阵列中每个正方形的单元同时作为数据接收器与位置探测器。每个单元都具有100 μm×100 μm的光敏面面积,带宽高达2.5 Gbps。

图11 2×2 APD阵列结构

NRL为其设计的判决策略有三种:“sum2”、“sum all”、“winner takes all”。NRL对这三种策略进行了实验室测试与外场测试。实验室测试是验证每种判决策略在不同的照射条件下的信噪比变化。图12是测试结果,结果显示:winner takes all策略在只有一个单元被照亮时的信噪比最高,Sum 2策略在有两个单元被照亮时信噪比最高,sum 4策略在四个单元全被照亮时信噪比最高。

图12 不同光照配置下的算法表现

外场测试是用1.55 μm FSO链路来对APD阵列和判决电路进行测试,测试框图如13所示。图14显示了APD接收的各个信道的信号的能量大小。可以看出,能量随着时间在各个信道之间来回移动,可以推测这是由于大气湍流所造成的影响。因此在这种情况下选用winner takes all策略的效果与sum all相比较差。图15是采用sum all策略得到的信号,显然采用这种策略能在大气湍流影响的情况下显著地提升接收信号的信噪比。

图13 外场测试框图

图14 通道信号强度/时间图

图15 通道信号总输出图

图16显示了外场测试的第二天APD接收的各个信道的信号。由于没有大气湍流的影响,各个信道的信号基本相同,这时采用sum all的策略效果会不及winner takes all策略,因为这样会混入其他信道信号的噪声而降低信噪比。

2014年,NRL研制出了一种五单元的APD阵列,结构如图17所示。与上文2×2的阵列不同的是,这种APD阵列只采用中央的单元来进行数据接收,这样就避免了信号合并带来的噪声污染。研究结果显示,其对入射光斑的面积也有一定要求。如果四周单元的入射能量不够,就会影响位置探测的表现,若入射光斑的面积远大于中央接收单元的面积,又会损失信号接收的效率[10]。最终采用的光斑面积比中间接收单元的稍大一点,直径大约为150 μm。

图16 在无大气湍流情况下接受的数据

图17 五单元APD阵列的显微照片

4.3 法国微电子研发机构CEA/LETI研究情况

HgCdTe APD探测器阵列是20世纪90年代新开发出的APD探测器,它具有独特的能带结构,离子化率k值甚至可以达到1或0,理论上可以完全消除噪声,此外它还具有极高灵敏度和响应速度,可制成大面阵,其探测响应截止波长可调等优良特性。

2011年,法国CEA/LETI和DEFIR实验室研制了一种具备主动和被动成像能力的HgCdTe APD三维闪光激光雷达,阵列大小为320×256[11]。2015年CEA/LETI开始探索HgCdTe APD 探测器阵列在FSO系统中的应用[12]。

4.4 国内研究机构研究情况

我国在此领域的研究开展得较晚,主要研究机构有哈尔滨工业大学、东南大学、中科院长春光机所等。表2列举了这些科研机构的主要研究成果。

表2 国内机构主要成果

5 发展趋势

自从1998年林肯实验室利用混合集成方式首次制成了4×4的APD阵列以后,西方发达国家意识到了APD阵列的使用将会给FSO通信及激光主动探测领域带来巨大的变革,美、英、法等国纷纷开展了对此的研究。林肯实验室研究重点是盖革模式的APD阵列,他们提出了新型的激光通信接收机架构,拓展了APD阵列的探测波长范围,随后研制了一套基于GM-APD的新型激光通信与空间追踪系统。美国海军实验室则立足于线性模式APD,改进结构,研发出新型的APD器件,接着针对APD阵列结构及算法展开了研究。法国CEA/LETI则选择了新型的HgCdTe APD作为FSO以及激光雷达的核心部件。

我国近年来有越来越多的科研机构开始从事该领域的研究,例如东南大学专注于APD阵列读出电路的研究,哈工大设计了APD阵列探测器,上海光机所以及长春光机所进行了激光雷达的研制,但我国研制的APD阵列与国外相比灵敏度不高、阵列规模较小,并且暂时还没有机构从事将APD阵列探测器应用于FSO通信的研究。

综上所述,APD阵列探测器在自由空间光通信上应用的发展趋势如下:

(1)APD性能的继续提升。研究如何通过改进材料与结构等方式进一步降低APD的噪声,提高灵敏度,提高带宽仍是未来研究的目标,这也是构建高水准APD阵列的基础。

(2)线性化。盖革模式的APD阵列技术已经逐渐发展成熟,但盖革模式APD探测器存在重要技术限制:第一,雪崩击穿后需要复位时间;第二,盖革模式的探测器存在高虚警率问题,探测器存在对背景光子计数或探测器的暗计数率;线性模式的APD 探测器则无需恢复时间,并且探测器可区分杂散辐射和信号光子,其主要缺陷在于需要复杂的控制电路以及功耗问题。随着技术的发展,工作于线性模式的APD阵列的功耗问题逐步得到解决,预计线性模式APD 探测器也会成为FSO探测器的重要发展方向。

(3)阵列化。APD阵列从最初的2×2发展到目前的320×256,未来阵列规模还会继续扩大。阵列化不仅对解决实际应用中遇到的大气湍流等问题很有帮助,APD阵列化后还会具有探测位置的能力,未来可以同时充当FSO系统的数据接收器与位置探测器,这将大大简化FSO系统的光学设计,降低系统的体积与重量。

6 结 语

本文分析了FSO对APD阵列探测器的性能需求,回顾了国内外近年来用于FSO的APD阵列的研究现状,对APD阵列探测器在FSO应用的发展方向进行了预测与总结。APD阵列探测器以其独特的优势在FSO系统中扮演着越来越重要的角色,受到了西方发达国家的高度重视,他们已经率先对其进行了一系列的研究。可以看出,国外科研机构的研究基本都是遵循着器件本体研究-阵列结构设计-应用算法研究的轨迹进行的。反观国内,从事器件本体研究的机构较少,大多都热衷于直接购买进口器件来研究应用算法。而事实上由于国外的封锁,我们往往不能得到高性能、大规模的APD阵列,这极大地限制了我国在该领域研究的发展。目前需要国家加大在器件本体研究方面的投入,以尽快研制出先进的APD器件,力争使我国在FSO领域快速赶上发达国家的脚步。

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