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APD器件的内增益来源于载流子在电场作用下的碰撞电离,APD器件在放大输入信号的同时伴随着倍增噪声的引入,通常将信号倍增过程中引入的噪声称为过剩噪声[16]。APD器件的这种特性,使得器件输出噪声的增长速度快于输出信号,因此,APD器件更适用于噪声不是由焦平面芯片决定的系统(如探测短激光脉冲信号的高带宽系统)。通过提升探测器的雪崩增益,可以持续提升系统噪声限装备的信噪比,当器件噪声与系统噪声相当时继续提升APD器件增益将会引起系统信噪比恶化,如图5所示。
McIntyre的经典场论模型认为APD器件的过剩噪声因子是器件平均增益和碰撞电离系数比的函数[17]:
式中:k=β/α为半导体的碰撞电离系数比(β为空穴电离系数,α为电子电离系数)。若碰撞电离系数为0或无穷大,意味着只有一种载流子倍增,此时APD器件输出的噪声将与信号同比例放大[17]。图6为根据McIntyre公式计算得到的半导体器件过剩噪声因子随增益的变化情况。APD器件引入的过剩噪声限制了其可用的最大增益,理想的无倍增过程噪声的APD器件的灵敏度由光子噪声决定,对于k≠0或∞的APD器件,倍增过程引入的噪声超过了光子噪声,使得在使用APD器件过程中需要考虑器件的可用增益。
Figure 6. Variation of excess noise factor of semiconductor APD devices with gain[17]
InGaAs线性雪崩器件和碲镉汞线性雪崩器件均工作于人眼安全的1.55 μm近红外波段,InGaAs半导体的碰撞电离比系数为0.4,从图6可以看出,随着增益的增长,器件过剩噪声因子迅速增长,输出信噪比快速恶化;作为对比,随着器件增益的增长,HgCdTe雪崩器件的过剩噪声因子保持接近于1,意味着增益过程几乎没有引起信噪比的恶化。能带可调节的碲镉汞半导体是目前唯一一种碰撞电离系数比为0或无穷大的半导体,其制备的APD器件的过剩噪声因子接近于1,工作波段范围覆盖1.3~11 μm [18],表1为公开报道的不同材料制备的线性APD探测器性能对比(其中,hole-HgCdTe为空穴倍增型碲镉汞APD,e-HgCdTe为电子倍增型碲镉汞APD)。
Device parameter Si[19] hole-HgCdTe[20] e-HgCdTe[21] InGaAs[22] QE 35%@
1.06 μm>90@
1.06 μm>83%@
1.55 μm80%@
1.06 μmDetector cutoff/
μm1.1 SWIR 4.3 1.2 Bandwidth/
MHz140 500 120 >1000 k(ionization ration) 0.008 ∞ 0 0.15 Excess noise factor 3 ~1 1.3-1.4 8@M=45 Gain M 120 200-350 468 45 Bias/V - 16 13 71/82.5 NEP/
(fW/Hz1/2)30 7-25(@M=100) 0.5 150/250 Pixel format Single 4×4 2×8/64×64 Single/
16 channelPixel area/μm 700(dia.) - 64×64 75/100(dia.) Operating
temperature/
K300 101-120 84 300 Table 1. Performance comparison of different types of linear mode APD detectors reported publicly
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进行潜在目标成像时,需要在宽视场下快速探测目标,在窄视场下识别并辨识目标。由于激光发射功率的限制及对回波信号强度的要求,主动成像系统无法实现远距离宽视场成像,同时主动激光成像存在暴露系统位置的风险。通常采用被动红外与主动激光联合成像,被动红外成像系统用于潜在目标的探测,主动成像系统用于目标的辨识与锁定。被动成像系统与主动成像系统为两套相互独立的光电系统,光学、低温封装、探测器、信号处理电子学及电源系统均相互独立,使得装置体积质量较大,需要专门的光路对准系统,传统的被动成像/激光门控成像联合系统原理如图7所示[23]。
将被动成像与主动成像整合进一个系统中,有望克服两套光电成像系统带来的问题。红外被动成像与主动激光成像整合需要解决以下问题:(1)探测器本身可实现主动短波成像、被动中波成像的切换;(2)光学系统需要支持不同成像模式下视场的切换。采用碲镉汞中波红外材料制备的焦平面探测器在低偏压下即具有较高的雪崩增益,调节所加偏压能实现从主动激光成像到被动中波红外成像的切换:高偏压下实现高增益短波激光成像,低偏压下实现被动中波红外成像,如图8、图9所示[24]。
主动成像通常采用波长为1.55 μm或1.06 μm的短波红外激光作为光源,随着激光技术的发展及人眼安全的需求,其有向更长波长发展的趋势。表2为采用不同材料制备的线性APD器件性能对比,由此可以看出,采用碲镉汞材料制备的APD器件具有更高的量子效率,工作波段覆盖短波至中波红外,且采用碲镉汞中波红外材料制备的APD在较低的偏置电压下即可得到较高的雪崩增益。Leonardo公司采用截止波长为4.0 μm的碲镉汞材料制备APD器件开展主/被动双模成像试验,主动成像时器件工作在高偏置电压下提升器件增益,被动模式下器件工作于低偏置电压,通过电子学切换即可实现传感器主/被动成像模式的切换,图9为采用该成像系统获得的目标图像。DRS公司采用中波碲镉汞APD器件为美国海军实验室搭建了一套主/被动成像系统,其面阵规模为640×480,像元间距为25 μm,被动成像模式下系统NETD为18 mK (积分时间为16 ms,F4光学系统);主动门控成像模式下(带增益)噪声等效光子数为2 (积分时间为100 ns)[20]。
Array technology FPA format and
pitch/μmFrame
rate/HzOperating
temperatureROIC noise Spectral range and QE Intevac,InGaAs/
InP EBCMOS640×480/13.4 <30 −40-20 ℃ 1 e−/pixel@M=200 QE≥25%@1.55 μm
0.95-1.65 μmCEA/Leti,HgCdTe APD 320×256/30 1500 ≤200 K 3-4 e−/pixel@M=10 QE>50%;0.2-3.0 μm DRS,HgCdTe APD 640×480/25 <120 80 K 1-2 e−/pixel@M=70 QE>50%;0.5-4.5 μm Table 2. Performance comparison of APD avalanche devices fabricated from different material[20]
碲镉汞APD器件耦合具有计时功能的读出电路并结合脉冲激光即可实现目标距离信息的获取,法国Sofradir公司在设计的读出电路中加入3D功能,其原理如图10所示[25]。该读出电路通过小电容充放电快速响应输入激光脉冲回波信号,采用模拟斜波电压作为计时信号,通过记录回波到达焦平面时斜波电压值来获取目标距离信息。碲镉汞APD器件的线性增益使得在获取回波飞行时间的同时可以获取回波强度,并由读出电路中的积分电容记录。Sofradir公司采用碲镉汞中波红外材料制备了面阵规模为320×256的APD焦平面组件(像元间距30 μm),通过调节偏置电压可实现20~100增益的调节。搭配脉宽8 ns的激光(能量8 mJ),Sofradir公司开展了40 m景深下3D/2D成像演示[11]。
电子倍增碲镉汞雪崩APD器件采用中波红外材料制备,其能同时响应中波段红外信号和短波红外信号。室温环境下中波红外产生的器件注入电流接近nA量级,室温背景下的短波红外产生的注入电流在fA量级,当APD器件用于单模式成像时,不必考虑中波红外背景对成像的影响;但采用单传感器开展主/被动复合成像时,必须对光学系统进行优化,避免中波段红外背景干扰主动成像。
典型的APD探测器主动成像原理如图11所示。激光器发射的脉冲激光经扩束镜扩束后照射在目标物体并反射至探测器收集,电子学系统处理后获得目标的距离等信息,回波激光脉冲强度可用公式(12)描述[26]:
式中:Pdet为APD焦平面接收到的激光功率;PL为激光出射功率;ρt为目标反射率;τa为空气透射系数;τoptic为透镜透射系数;Lp为像元尺寸;DR为透镜直径;Lf为透镜焦距;R为目标与焦平面距离;θL为出射激光发散角。假设照射激光波长为1.55 μm,单个脉冲能量为10 mJ,脉宽为10 ns,器件量子效率为50%,回波激光产生的注入电流(无增益)随距离的变化如图12所示(各参数取值如表3所示)。
从图12中可以看出,回波激光强度引起的光电流随着作用距离的增加急剧减小,接近甚至小于室温背景辐射引入的电流水平,因此将碲镉汞APD焦平面组件用于主/被动复合成像时必须考虑环境背景中红外辐射的屏蔽。Leonardo公司和DRS公司基于中波碲镉汞APD焦平面组件搭建的主/被动双模成像系统均设计了红外屏蔽,用于减少主动成像模式下中波红外背景带来的不利影响[9,20,24]。
ρt τa τoptic Lp/μm DR/mm Lf/mm R/km θL/mrad 0.1 0.97 0.6 30 28.3 85 5 5 Table 3. System parameters
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碲镉汞APD器件具有的几乎无雪崩噪声的线性内增益特性给中波红外成像带来了新的应用场景,通过调节器件内增益,可以实现相同积分时间不同辐射强度目标的观察或对相同目标成像时间的调节。在快速搜索成像中要求积分时间内成像点在探测器焦平面上的移动距离不超过1个像元,否则将导致图像模糊,影响成像质量。对于面阵规模为640×512的焦平面组件(像元间距25 μm,积分时间取4 ms),若其视场角为2°,则其最大搜索角速度不能超过0.975 (°)/s,若采用增益为100的APD焦平面组件,则可将系统最大搜索速度提高至97.5 (°)/s,完成360°的全方位搜索只需要不到4 s的时间。碲镉汞APD器件可实现扫描成像系统中复杂的二维光学或电子运动补偿系统的代替,简化系统结构,实现搜索/跟踪一体化。
红外图像的噪声主要来源于背景光子噪声、器件暗电流噪声、读出电路噪声及后续电子学系统噪声等,从图13可以看出,无增益时缩短积分时间获得的图像质量明显下降,增加器件增益至一定水平,图像质量有一定改善,但无法恢复图13(a)的水平。若器件噪声主要为散粒噪声,其噪声电流可表述为:
式中:
$i$ 为光生电流;$\Delta f$ 为系统带宽。APD器件的散粒噪声电流可表述为:从公式(13)和公式(14)可以看出,相同的器件响应电流及带宽下,APD过剩噪声的存在使得其输出信噪比产生
$\sqrt F $ 倍的衰退。通过优化器件工艺降低过剩噪声因子能有效提升碲镉汞APD器件的可用增益。从图5可以看出,当电子学系统噪声水平高于器件噪声时,通过内增益能提高输出信号的信噪比。图13为法国Sofradir公司采用320×256面阵规模的碲镉汞APD器件获取的中波段红外图像。Figure 13. Passive mid-band infrared images obtained by Sofradir using a 320×256 (pixel spacing 30 μm) HgCdTe APD device. (a) Routine imaging,SNR=61 dB; (b) Image with short integration time, SNR=39 dB; (c) Image with high gain and short integration time, SNR=42 dB
目前,美国Raytheon公司、法国Sofradir公司及英国Leonardo公司等均已制备得到过剩噪声因子接近于1的碲镉汞线性APD器件。Leonardo公司采用金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)工艺制备的320×256面阵规模的碲镉汞APD焦平面芯片的灵敏度达到了单光子级,过剩噪声因子小于1.25。配合Flower采样、相关采样等技术,法国First Light imaging公司采用该芯片生产的C-RED one碲镉汞APD机芯最大帧频可达3500 FPS,读出噪声小于1个电子,响应波段覆盖1.1~2.4 μm,已成功用于波前传感、低背景成像等领域[27-28]。
被动成像中另一个值得注意的问题是随着器件增益的增长,APD器件的暗电流也随之放大,图14为昆明物理研究所制备的碲镉汞APD器件暗电流随偏置电压的变化情况,器件的暗电流随偏置电压线性增长,因此在APD制备中除了需要优化过剩噪声因子,还需要尽可能降低暗电流水平并减少缺陷的引入。采用制备的面阵规模为256×256的APD焦平面芯片,昆明物理研究所开展了APD成像验证,图15为不同增益下获取的中波段红外图像,从图中可以看出,制备的器件在小偏压下获取的图像与常规中波红外探测器相当,器件积分时间较短时,信号的雪崩增益明显提升了图像质量。
Evaluation and application of HgCdTe linear avalanche focal plane devices (invited)
doi: 10.3788/IRLA20220698
- Received Date: 2022-11-20
- Rev Recd Date: 2023-01-20
- Available Online: 2023-03-20
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- HgCdTe /
- APD /
- performance evaluation /
- active/passive dual-mode imaging /
- fast infrared imaging
Abstract: