TCSPC Technology Used in SPAD (APD) Test System | SIMTRUM Photonics Store

目录

● SPAD(APD) 测试目的及原理 

● 裸芯片 SPAD(APD) 的 TCSPC 测试解决方案 

● 适用于封装 SPAD(APD) TO46 或 TO8 的 TCSPC 测试解决方案

SPAD(APD) 测试目的及原理  

       该测试系统适用于SPAD的盖革工作模式，采用门控猝灭技术、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、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 𝜇 =0.1），测量SPAD𝑃𝑑 每个门控脉冲产生暗计数的概率，并每个光脉冲𝑃𝑒 产生相关计数的概率，则单光子探测效率SPDE可计算为：

一般情况下，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 可近似为：

2）SPAD的归一化暗计数率DCR：由于SPAD工作在门控模式，具有一定的门宽 𝜏，为了均匀性，SPD的暗计数率𝑃𝑑 ，即每个门脉冲产生暗计数的概率，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 𝑃𝑎 后的脉冲概率：该参数一般需要指定选通工作频率，表征在SPAD内部缺陷捕获和释放光电子导致有效光子入射而产生后续雪崩脉冲的总概率特定的选通工作频率[1]。设单位时间内SPD的总计数为𝑅𝑠 ，单位时间内暗计数为𝑅𝑑 ，与光子到达时间相关的单位时间计数为𝑅𝑒 ，若门频率为𝐹𝑔 ，则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：可以在门控模式下测量雪崩信号相对于光脉冲同步信号的输出抖动。该参数代表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对有效雪崩信号进行计数。时间直方图半峰全宽 𝑡 𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝐹𝑊𝐻𝑀，或者使用高带宽示波器来计数有效的雪崩信号相对于光脉冲同步信号的时间偏移𝑡 𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝑅𝑀𝑆 。对于近高斯分布的时间抖动，一般有：

裸芯片SPAD(APD) 的 TCSPC 测试解决方案

自由空间裸芯片SPAD TCSPC测试系统

该系统由皮秒脉冲激光器 QLD-301、自由空间光学装置、用于门控制的数字延迟脉冲发生器、用于70K冷却的低温舞台系统、光功率计、参考SPD和一套 TCSPC主时钟 组成。

基于光纤的裸芯片SPAD TCSPC测试系统

该系统由皮秒脉冲激光器QLD-301、光纤光学装置、用于门控制的数字延迟脉冲发生器、定制的70K冷却光纤低温舞台系统、光功率计、参考SPD和一套 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）：它可以接收外部参考时钟或使用内部时钟源生成同步的激光脉冲触发时钟和可调相对延迟的APD门控时钟。通常，APD门控制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倍和100倍的选项；

● 皮秒脉冲激光（脉冲激光）：它可以以相同频率生成与触发时钟同步的激光脉冲，脉冲宽度小于50ps，消光比大于40dB。此外，由它生成的激光同步时钟用作计数模块的输入信号；

● 光功率监控和衰减控制模块（ATT）：控制激光脉冲的衰减，将其衰减到单光子的水平，并通过高灵敏度的光功率监测确保脉冲功率的稳定性。

主时钟

● 4路输入和4路输出，通道数量可定制，最高分辨率达到13ps bin宽度，每通道时间抖动5.7ps。

● 最大输入电压范围-3到3V（可定制）

高压脉冲发生器

● 4路脉冲输出和8路延时输出，抖动小于25ps rms，触发频率高达10mhz。

● 高压触发信号可达10V。这对SPAD测试设备非常重要。

● 升降时间可达55ps。

参考SPD检测器

● 波长覆盖范围900 - 1700nm（可根据不同应用改变到可见光范围）

● 时间分辨率150ps暗计数率在3Khz时为20%，1us到100us可调死区时间

自由空间近红外光学系统配备低温台

● 在测试样品上的微米级激光斑尺寸，具有用于光学对准的同轴近红外视觉系统

● 2个可调探针臂用于电子信号测试，低温台温度可达-77K (LN2)

定制的70K冷却光纤低温台系统

● 定制的光纤插入测试室，光输出角度为85度

● 顶部和侧视可变焦视觉系统用于光纤对齐

● 2个可调探针臂用于电子信号测试，低温台温度可达-77K (LN2)

性能

具体性能及指标参数如下表所示

适用于封装的 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器QLD-301，闸门控制生成模块NPG-1H20，测试主控模块ATE-301和测试机箱（包括TO46水冷制冷单元）组成。此外，还需要一套TCSPC仪器。用于测试脉冲后及时间抖动。其中，QLD-301是内置信号源的皮秒脉冲激光器，可以生成具有可调延迟的电和光脉冲（目前为独立仪器，后期可以升级为机箱板卡的模块）； 

       NPG-1H20可以生成具有可调振幅和脉宽的闸门脉冲信号；ATE-301部分包含APD相关模式块（高压产生，制冷和温度控制，双通道鉴别计数器）；测试箱包括TO46制冷和信号提取单元，机箱背板等，其中TO46制冷和信号提取单元包括：水冷散热器，保温结构，TEC制冷单元，尖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和原理图

QLD-301皮秒脉冲激光器包括：

● 信号生成器模块（时钟源分布）：它可以接收外部参考时钟或使用内部时钟源来生成一个同步的激光脉冲触发时钟和APD门控时钟，可调的相对延迟。通常，APD门控时钟的频率是激光触发时钟的整数倍，系统提供了2倍、5倍、10倍、20倍、50倍和100倍的选项；

● 皮秒脉冲激光器（Pulsed Laser）：它能够生成与触发时钟同频率的同步激光脉冲，脉宽小于50ps，消光比大于40dB。此外，由它生成的激光同步时钟用作计数模块的输入信号；

● 光功率监测和衰减控制模块（ATT）：控制激光脉冲的衰减，将其衰减到单光子的水平，并通过高灵敏度的光功率监测确保脉冲功率的稳定性。

NPG-1H20门控生成模块主要包括：

● 触发输入和监控单元，触发频率覆盖0.1~100MHz，兼容任何电平的触发输入；

● 门控幅度可调，调整范围覆盖4~6.4V，优于100mV/步，编码器调整；

● 门宽度可调，调整范围覆盖0.5~2ns，10ps/步，编码器调整。

ATE-301测试主控模块主要包括：

● SPAD相关模块：包括高压生成，冷却和温度控制等模块；系统基于门控熄灭方法使SPAD工作在门控模式下，在此模式下，测试SPAD的检测效率，归一化暗计数率和后脉冲概率；

● 双通道计数器模块（双通道计数器）：用于计数雪崩计数值，并且以后可以升级为一个符合计数模块，通过与激光同步时钟自动找到峰值并计数符合函数以自动测量后脉冲概率。

                                                                                                                图2 方案组成示意图

TO-46测试夹具主要包含：

● 水冷TEC制冷和保温结构：使用工业级三级制冷片，结合水冷散热技术，可以在室温20°C时实现≤-60°C的温度控制，满足SPAD的低温需求；最大限度地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），且结构易于更换；对尖峰噪声有高度抑制，可以有效提取SPAD的雪崩信号； 

● 信号接口：包括光猪尾线出口，射频同轴和DB9接口，分别用于传输单光子信号，门控输入信号，雪崩输出信号和系统主机的高压和温度控制接口。

性能

具体性能及指标参数如下表所示

系统连接方框图

下图为系统连接方框图，其中ATE-301-SYS、NPG-1S20和TO-46测试夹具都位于测试平台机箱内，这可以减小系统尺寸，便于操作。

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

                                                                       适用的APD封装TO-46示例图

附录A. 激光脉冲每脉冲平均光子数的校准方法

在进行 SPAD 的性能测试之前，需要准确地校准激光的每脉冲平均光子数。校准过程有以下几种方法：

1. 间接功率校准方法：根据光脉冲重复频率和每脉冲平均光子数[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，手持光功率通过对外部衰减器的衰减值进行校准，使得最终的输出功率达到预定值。这种方法的主要问题是它需要对外部衰减器的值进行额外的校准，操作上比较复杂。
2. 直接功率校准方法：这种方法使用高精度的仪器型光功率计，例如 Keysight 81634B，其名义测量精度可达 -110dBm，但实际测量精度约为 -100dBm。如果需要每脉冲平均光子数为0.1，这种方法只能用于校准重复率在10MHz以上的光脉冲。这种方法的主要问题是其适用范围有限且成本高。
3. 单光子计数直接校准方法：这种方法使用已经校准过检测效率的单光子探测器进行直接单光子计数。因为检测效率已知，可以通过计数率和光脉冲频率[3]直接计算出每脉冲平均光子数。这种方法校准速度快，重复性好，应用范围广，简单高效。

以上三种方案的特性在以下表格中进行了比较：

[1] 如果 SPAD 在 Geiger 模式下，这个参数通常需要给出一定的死区时间参数，但是这个系统使用门控制模式，其默认的死区时间是一个脉冲周期的长度，所以死区时间一般在这里的最小值。如有需要，可以通过参数增加死区时间的设置。

[2] 例如，平均光子数 μ=0.1 的 1MHz 的 1550nm 光脉冲的平均功率为 -108.92dBm

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