TCSPC система для тестирования SPAD детекторов SIMSCOP

Принципы работы системы тестирования SPAD (ЛФД)

Данная система тестирования пригодна для гейгеровского режима работы SPAD. С помощью технологии стробированного гашения и источника квази-одиночных фотонов, система способна измерять значение лавинного напряжения SPAD Va, темновая скорость счета DCR, эффективность обнаружения одиночных фотонов SPDE. Так же, с расчётом вероятности импульса Pa и временного джиттера TJ, систему можно применять в качестве платформы для тестирования на массовом производстве и для тестирования производительности SPAD (ЛФД).

Общие принципы работы и задачи системы описываются следующим образом:

1) Эффективность обнаружения одиночных фотонов (SPDE) SPAD: если в соответствии со средним числом фотонов на импульс 𝜇 для данного лазера (обычно 𝜇 = 0,1) измеряется вероятность темновой скорости счёта, генерируемой каждым стробируемым импульсом SPAD 𝑃𝑑 , и вероятность связанных счётов, генерируемых каждым световым импульсом 𝑃𝑒, то эффективность однофотонного обнаружения SPDE можно рассчитать следующей формулой:

Как правило, вероятность темнового счета 𝑃𝑑 намного меньше 1, а когда 𝜇 = 0,1 вероятность счета корреляции оптических импульсов 𝑃𝑒 также намного меньше 1, тогда SPAD можно свести к формуле:
2) Нормализованная скорость темнового счета DCR SPAD: поскольку SPAD работает в стробируемом режиме с определенной шириной затвора 𝜏, для единообразия, скорость темнового счета - SPD 𝑃𝑑, то есть вероятность темновых отсчетов, генерируемых каждым импульсом стробирования, преобразуется в темновую скорость счета в режиме Гейгера SPAD, то есть в нормированную темновую скорость счета 𝑅𝑑:

3) Вероятность импульса после SPAD 𝑃𝑎: Этот параметр, как правило, должен указывать рабочую частоту стробирования, которая характеризует общую вероятность последующих лавинных импульсов, вызванных попаданием эффективных фотонов, вызванных захватом и высвобождением фотоэлектронов внутренними дефектами в SPAD при удельной рабочей частоте стробирования[1]. Пусть общее количество SPD в единицу времени равно 𝑅𝑠, количество темновых отсчётов в единицу времени равно 𝑅𝑑, а количество единичных интервалов времени отсчёта, связанных со временем прибытия фотона, равно 𝑅𝑒, если частота затвора равна 𝐹𝑔, а частота импульса падающего фотона равна 𝐹𝑝, то вероятность постимпульса 𝑃𝑎 рассчитывается по формуле:

4) Временной джиттер SPAD: в стробируемом режиме также можно измерить выходной джиттер лавинного сигнала относительно сигнала синхронизации оптического импульса. Этот параметр представляет собой флуктуацию времени однофотонной лавинной релаксации SPAD. Обычно для подсчета эффективного лавинного сигнала используется коррелированный по времени однофотонный счетчик, ПШПВ временной гистограммы 𝑡𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝐹𝑊𝐻𝑀 либо широкополосный осциллограф для подсчета эффективных помех 𝑡𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝑅𝑀𝑆 сдвига по времени относительно лавинного сигнала к сигналу синхронизации оптического импульса. Формула для расчёта временного джиттера распределения, близкого к гауссову:

Решение TCSPC для тестирования Bare Chip SPAD (APD)

Система тестирования Bare Chip SPAD (APD) в свободном пространстве
В состав системы должны входить пикосекундный импульсный лазерный прибор QLD-301, оптическая установка в свободном пространстве, цифровой генератор импульсов с задержкой для управления затвором, крио-столик для охлаждения до 70 К, измеритель оптической мощности, референсный УЗИП и главный синхронизатор TCSPC.
Оптоволоконная система тестирования Bare Chip SPAD TCSPC
В состав системы должны входить пикосекундный импульсный лазерный прибор QLD-301, оптоволоконная оптическая установка, второй импульсный лазерный прибор QLD-301, оптоволоконная установка, цифровой генератор импульсов задержки для управления затвором, специально изготовленная оптоволоконная криосистема для охлаждения до 70 К, измеритель оптической мощности, референсный УЗИП и главный синхронизатор TCSPC.

Устройство пикосекундного импульсного лазера QLD-301

● Модуль генератора сигналов (распределение источника тактовой частоты): способен получать внешний опорный тактовый сигнал или использовать внутренний источник тактового сигнала для генерации синхронизированного сигнала запуска лазерного импульса и сигнала APD с регулируемой относительной задержкой. Частота тактового сигнала управления затвором APD является целым кратным сигнала лазерного триггера. Доступная частота: 2, 5, 10, 20, 50 и 100;
● Пикосекундный импульсный лазер (импульсный лазер): способен генерировать лазерные импульсы, синхронизированные с тактовым сигналом триггера на той же частоте. Длительность импульса составляет менее 50 пс, а коэффициент затухания превышает 40 дБ. Генерируемый тактовый сигнал лазерной синхронизации используется в качестве входного сигнала модуля счета;
● Модуль контроля оптической мощности и затухания (ATT): контролирует затухание лазерного импульса, чтобы ослабить его до уровня одиночного фотона и обеспечить стабильность мощности импульса посредством высокочувствительного мониторинга оптической мощности.
Главный синхронизатор
● 4-канальный вход и выход, настраиваемый номер канала, высокое разрешение, ширина интервала до 13 пс, джиттер синхронизации на канал 5,7 пс.
● Максимальный диапазон входного напряжения - от -3 до 3 В (настраивается)
Генератор импульсов высокого напряжения
● 4 импульсных выхода и 8 выходов задержки, среднеквадратичный джиттер менее 25 пс, частота запуска до 10 МГц.
● Триггерные сигналы высокого напряжения до 10 В. Важно для прибора тестирования SPAD.
● Время нарастания и спада до 55 пс.
Референсный детектор УЗИП
● Охват длины волны - 900–1700 нм (возможно переключение на визуальный диапазон для других приложений)
● Временное разрешение - 150 пс. Темновая скорость счета - 20% при 3 кГц, регулируемое время задержки - от 1 мкс до 100 мкс
Оптическая система ближнего ИК-диапазона в свободном пространстве с крио-столиком
● Размер лазерного пятна на уровне мкм на испытательном образце, с коаксиальной системой ближнего ИК-видения для оптической регулировки
● 2 регулируемых зонда для тестирования сигналов электроники, температура крио-столика может достигать -77K (LN2)


Специально изготовленная волоконная система крио-столиков для охлаждения до 70 К
● В испытательную камеру помещаются специальные оптоволоконные вставки с углом оптического выхода 85 градусов.
● Система визуального увеличения с обзором сверху и сбоку для выравнивания волокон.
● 2 регулировочных рычага зонда для тестирования сигналов электроники. Температура крио-сцены может достигать -77K (LN2).

Производительность лазера

Решение TCSPC для тестирования корпусного SPAD (APD) TO46 или TO8

Комплексная система тестирования SPAD состоит из пикосекундного импульсного лазерного прибора QLD-301, модуля генерации управления затвором NPG-1H20, основного испытательного модуля управления ATE-301 и испытательной платформы (включая холодильную установку с водяным охлаждением TO46). Также необходим набор инструментов TCSPC. Система применяется для испытания постимпульсного и временного джиттера. Среди них QLD-301 — пикосекундный импульсный лазер со встроенным источником сигнала, способный генерировать электрические и оптические импульсы с регулируемой задержкой (на данный момент это независимый прибор, который в дальнейшем может быть модернизирован до модуля платы платформы);
NPG-1Н20 способен генерировать стробируемый импульсный сигнал с регулируемой амплитудой и шириной импульса; часть ATE-301 содержит блоки режима корреляции APD (генерация высокого давления, регулирование охлаждения и температуры, двухканальный селективный счетчик); в тестовый пример входят блок охлаждения и извлечения сигналов TO46, объединительная плата платформы и т. д. Блок охлаждения и извлечения сигналов TO46 составляют: радиатор водяного охлаждения, теплоизоляционная конструкция, холодильная установка TEC, схема подавления пиковых шумов и схема извлечения сигналов, прибор TO-46 и интерфейс сигналов и т. д. Состав и принципиальная блок-схема системы показаны на схема ниже:
Рис. 1. Состав системы и принципиальная блок-схема тестовой платформы SPAD.

Компоненты пикосекундного импульсного лазера QLD-301:

● Модуль генератора сигналов (распределение источника тактовой частоты): способен получать внешний опорный тактовый сигнал или использовать внутренний источник для генерации синхронизированного тактового сигнала запуска лазерного импульса и сигнала APD с регулируемой относительной задержкой. Как правило, частота тактового сигнала управления затвором APD является целым кратным тактового сигнала лазерного триггера. Возможные варианты частоты: 2, 5, 10, 20, 50 и 100;
● Пикосекундный импульсный лазер (импульсный лазер): способен генерировать лазерные импульсы, синхронизированные с тактовым сигналом триггера на той же частоте, длительность импульса составляет менее 50 пс, а коэффициент затухания превышает 40 дБ. Помимо прочего, генерируемый им тактовый сигнал лазерной синхронизации используется в качестве входного сигнала модуля счета;
● Модуль контроля оптической мощности и затухания (ATT): контролирует затухание лазерного импульса, чтобы ослабить его до уровня одиночного фотона и обеспечить стабильность мощности импульса посредством высокочувствительного мониторинга оптической мощности.

Компоненты модуля управления затвором NPG-1H20:

● Триггерный вход и блок контроля, частота триггера охватывает диапазон 0,1 ~ 100 МГц, блок совместим с триггерным входом любого уровня;
● Регулируемая амплитуда управления затвором, диапазон регулировки - 4 ~ 6,4 В, не хуже 100 мВ/шаг,  возможна регулировка преобразователя;
● Регулируемая ширина затвора, диапазон регулировки - 0,5–2 нс, 10 пс/шаг. Возможна настройка преобразователя.

Компоненты основного тестирующего модуля управления ATE-301:

● Модули, связанные со SPAD: включая модуль генерации высокого напряжения, охлаждения и контроля температуры и др.; В основу системы положен принцип стробируемого гашения, для работы SPAD в стробируемом режиме. В данном режиме тестируются эффективность обнаружения, нормированная темновая скорость счета и вероятность послеимпульса SPAD;
● Модуль двухканального счетчика (двухканальный счетчик): используется для подсчета значения лавинного счетчика и может быть позже модернизирован до модуля подсчета совпадений. Также он автоматически измеряет вероятность послеимпульса путем синхронизации таймера с лазером для автоматического определения пика и счета совпадений.

Компоненты прибора для тестирования ТО-46:

● Система теплоизоляции TEC с водяным охлаждением: применение трехступенчатого холодильного листа промышленного класса в сочетании с технологией рассеивания тепла с водяным охлаждением позволяет достичь контроля температуры ≤-60 C при комнатной температуре 20 C, что соответствует минимальным требованиям СПАД; Тепловое излучение и тепловая конвекция сводятся к минимуму.
● Крепление SPAD и аналоговый интерфейс: оборудовано уникальным теплопроводником из чистой меди и высокоскоростным сбалансированным дифференциальным устройством для поддержки SPAD в корпусе TO-46 (максимальный внешний диаметр 6 мм), конструкция отличается простотой замены, и высоким шумоподавлением, что позволяет эффективно получать лавинный сигнал SPAD;
● Сигнальный интерфейс: оптический выход, RF-коаксиальный интерфейс и интерфейс DB9, применяемые для передачи однофотонного, стробируемого входного, и лавинного выходного сигнала, а также для управления высоким напряжением и температурой хоста системы соответственно.

Производительность 1

Блок-схема подключения системы

На рис. ниже показана ​​блок-схема подключения системы со всеми приспособлениями тестирования: ATE-301-SYS, NPG-1S20 и TO-46 расположенными на испытательной платформе, что позволяет уменьшить размер и облегчить эксплуатацию системы.
Структурная схема подключения испытательной системы ATE-301 TO-46 SPAD
Применимый пакет APD TO-46. Примерная схема

Приложение А. Метод калибровки среднего числа фотонов за лазерный импульс

Перед проверкой работоспособности SPAD необходимо точно откалибровать среднее количество фотонов в импульсе лазера. Процесс калибровки проводится следующими методами:
1. Метод косвенной калибровки мощности: рассчитайте необходимую выходную мощность в соответствии с частотой повторения оптических импульсов и средним количеством фотонов на импульс[2], а затем рассчитайте необходимое значение внешнего ослабления в соответствии с выходной мощностью QLD-301 (отображаемое значение или измеренное значение). Значение ослабления внешнего аттенюатора калибруется таким образом, чтобы конечная выходная мощность достигала заранее определенного значения. Основная проблема этого метода состоит в том, что он требует дополнительной калибровки значения ложного в эксплуатации внешнего аттенюатора.
2. Метод прямой калибровки мощности. В этом методе применяется высокоточный измеритель оптической мощности, например Keysight 81634B, номинальная точность измерения которого может достигать -110 дБм, но фактическая точность измерения составляет около -100 дБм. Если требуется, чтобы среднее количество фотонов на импульс составляло 0.1, то для калибровки оптических импульсов с частотой повторения выше 10 МГц применим только этот метод. Основной проблемой этого метода является его ограниченная сфера применения и высокая стоимость.
3. Метод прямой калибровки с подсчетом одиночных фотонов. В этом методе применяется детектор одиночных фотонов, эффективность обнаружения которого откалибрована для прямого подсчета одиночных фотонов. Поскольку эффективность обнаружения известна, среднее количество фотонов на импульс можно рассчитать напрямую, исходя из скорости счета и частоты оптического импульса[3]. Метод отличается высокой скоростью калибровки, хорошей повторяемостью, широким диапазоном применения, простотой и эффективностью.
Сравнение характеристик трех вышеуказанных схем - на следующей таблице: