InGaAs單光子探測器已廣泛應(yīng)用于激光三維成像、長距離高速數(shù)字通訊、自由空間光通信和量子通訊等。針對單元、線列和小面陣器件，已發(fā)展出同軸封裝、蝶形封裝、插針網(wǎng)格陣列封裝等多種封裝形式。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，上海理工大學(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“InGaAs單光子探測器封裝技術(shù)進(jìn)展”為主題的文章，探討了溫度對InGaAs單光子器件性能的影響及組件溫控方法，系統(tǒng)比較分析了針對光學(xué)元件如微透鏡、透鏡、光纖等與芯片的高精度耦合方法，針對高頻信號輸出，總結(jié)了引線類型、布線方式、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，展望了InGaAs單光子探測器的發(fā)展趨勢。

InGaAs單光子探測器面陣規(guī)模進(jìn)展及常見封裝形式

美國麻省理工大學(xué)的林肯實(shí)驗(yàn)室是最早從事InGaAs單光子探測器設(shè)計(jì)與封裝工作，目前也一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。從最初的4 × 4、32 × 32、64 × 64等到近些年的256 × 256面陣，其芯片設(shè)計(jì)能力從小規(guī)模陣列逐步發(fā)展到中大規(guī)模陣列。美國的Princeton Lightwave公司該項(xiàng)工作也進(jìn)行了深入研究，2010年該公司將32 × 32面陣，像素間距100微米的單光子靈敏度蓋革模式APD（Avalanche Photodiode）陣列應(yīng)用在了三維LADAR（Laser Radar）成像系統(tǒng)上；2014年為了進(jìn)一步滿足三維LADAR成像系統(tǒng)應(yīng)用的要求，他們開發(fā)出了128 × 32的Gm-APD（Geiger-mode Avalanche Photodiode）陣列，實(shí)現(xiàn)了100%像素常規(guī)可操作性和性能的均衡性。2019年，德國的弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所開發(fā)了640 × 512的InGaAs APD焦平面陣列，其像素間距為15微米，并將其應(yīng)用于SWIR（Shortwave Infrared）相機(jī)中。其他國外機(jī)構(gòu)，如美國的JDS Uniphase，加拿大的Excelatas（原Perkinelmer）和日本的Hamamatsu Photonics等均進(jìn)行了研究并開發(fā)出了較成熟產(chǎn)品。

圖1 國內(nèi)外InGaAs單光子探測器面陣規(guī)模主要進(jìn)展

InGaAs單光子探測器相應(yīng)的封裝形式主要有同軸封裝、雙列直插封裝、插針網(wǎng)格陣列封裝和蝶形封裝等多種封裝形式。圖2是一些產(chǎn)品的典型封裝形式，其中（a）和（b）為Princeton公司的APD產(chǎn)品；（c）為2009年麻省理工實(shí)驗(yàn)室為驗(yàn)證封裝可靠性使用的128 x 32 APD陣列產(chǎn)品。

圖2 InGaAs單光子探測器的典型封裝形式：（a）同軸封裝；（b）雙列直插封裝；（c）插針網(wǎng)格陣列封裝

2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（Harbin Institute of Technology, HIT）在32 × 32 InGaAs Gm-APD的基礎(chǔ)上研制了一套激光成像實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了外場激光的主動成像功能。2018年，西南技術(shù)物理研究所（兵器209所）成功研制了64 × 64 Si SPAD（Single-photon Avalanche Diodes）和32 × 32 InGaAs SPAD及更大陣列規(guī)模的SPAD器件，并應(yīng)用到無人駕駛激光雷達(dá)、激光測距和量子通信等領(lǐng)域。2022年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（半導(dǎo)體所）研制了用于1550 nm波長三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的64 × 64 InGaAs/InP單光子雪崩二極管陣列，像素間距分別為25微米和150微米，在1550 nm波長處有著25.72%的高單光子探測效率。2022年，中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所（44所）基于64 × 64和64 × 256的InGaAs APD焦平面陣列建立了理論分析模型和相應(yīng)的成像設(shè)備，對單光子陣列成像進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)。2022年，上海技術(shù)物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, SITP）基于64 × 64 Gm-APD開發(fā)了一款單光子3D成像激光雷達(dá)，其像素間距50微米，能夠在短采集時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的成像效率。國內(nèi)其他研究單位如昆明物理研究所等對InGaAs單光子探測器設(shè)計(jì)也有著深入研究。

封裝影響因素

溫度的影響

APD的電流增益與反偏置驅(qū)動電壓的大小和其溫度密切相關(guān)。溫度越高，過驅(qū)動電壓越大，電流增益越大，則感應(yīng)靈敏度越高，但同時(shí)暗計(jì)數(shù)率也越高（暗計(jì)數(shù)率是指在特定的溫度下由暗電流觸發(fā)雪崩電流而形成一次計(jì)數(shù)的概率）。研究表明，對于InGaAs單光子探測器，降低溫度會導(dǎo)致器件的暗計(jì)數(shù)率顯著下降，其變化關(guān)系如圖3（a）所示。

敖天宏等通過探究溫度對InGaAs SPAD器件的影響，對器件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性的改進(jìn)，研制出光敏面直徑70微米的InGaAs SPAD器件；并通過試驗(yàn)測試了不同工作偏壓下SPAD器件暗計(jì)數(shù)率DCR和激活能的關(guān)系曲線，如圖3（b）所示。激活能越大，說明SPAD器件暗計(jì)數(shù)受溫度的影響越大。

圖3 APD暗電流測試曲線：（a）暗計(jì)數(shù)率隨溫度變化關(guān)系曲線；（b）InGaAs SPAD器件DCR與激活能關(guān)系圖

頻率的影響

InGaAs單光子探測器往往在高頻下工作。由經(jīng)典電磁場理論可知，當(dāng)傳導(dǎo)的信號頻率高到一定程度時(shí)(一般高于677 MHz)，導(dǎo)線以及分立元件必須用分布參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。徐光輝基于同軸封裝管殼，分別建立了芯片和管座的等效電路模型，如圖4所示。圖中，電源IopH等效為APD芯片、Rp和Cp分別是串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容、LB1和LB2是金絲電感，電容和電感的組合等效為管座。

圖4 芯片和管座的等效電路模型：（a）芯片等效電路；（b）TO管座等效電路

減短金絲長度會減小金絲電感，在高頻工作時(shí)金絲不能太長，但也存在一個(gè)最佳值，需與APD芯片和管座匹配。當(dāng)傳輸速率受限于金絲時(shí)，輸出端可用高頻傳輸線來取代鍵合金絲完成引線互連。作為高頻傳輸線，衡量它的性能指標(biāo)主要有以下因素：電磁效應(yīng)、串?dāng)_、傳輸速率、阻抗容忍控制、損耗和頻率帶寬等。其封裝實(shí)現(xiàn)形式主要有微帶線、多層陶瓷互連、共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、同軸連接器等。較長的引線會引入外界電磁干擾，分布電感和引線的長度會導(dǎo)致較大的淬滅延遲，使得難于消除尖峰脈沖噪聲。劉俊良等設(shè)計(jì)了主動淬滅專用的集成式制冷封裝，內(nèi)含兩級TEC，安裝有平衡電容等元件的電路板與SPAD一起被封裝在管殼中。該構(gòu)造使SPAD線路和平衡電容共享相似的電磁環(huán)境和分布參數(shù)，二者產(chǎn)生的噪聲較為容易消除。

在10 Git/s或者更高的傳輸系統(tǒng)中，一般會采用共面波導(dǎo)和同軸連接器的方案。圖6為共面波導(dǎo)和同軸線場分布，可以看出，共面波導(dǎo)和同軸連接器的電磁場分布很相似，可以很好解決兩者在過渡電磁場中的不連貫現(xiàn)象。

圖6 共面波導(dǎo)和同軸電磁場分布：（a）共面波導(dǎo)場分布；（b）同軸線場分布

封裝關(guān)鍵技術(shù)

TEC（Thermoelectric cooler）封裝設(shè)計(jì)

在InGaAs單光子探測器工作過程中，目前普遍采用2~4級熱電制冷器進(jìn)行制冷。半導(dǎo)體熱電制冷器為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，體積小、成本低、無噪音和長壽命等特點(diǎn)，在小溫差制冷的使用狀況下有著巨大的優(yōu)勢。前已述及，降低溫度能降低熱噪聲，但要同時(shí)得到高靈敏度、高響應(yīng)度和高響應(yīng)速度，則要求控制于一個(gè)最佳工作溫度并保持精確穩(wěn)定。在封裝設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面：（1）TEC的選擇、（2）封裝環(huán)境、（3）溫控。

集成光學(xué)元件的封裝

在InGaAs單光子探測器封裝過程中，提高光耦合效率和降低背景輻射是比較關(guān)心的問題。受單光子器件制作工藝的限制，特別是對于面陣型器件，焦平面芯片的占空比很低，采用微透鏡在器件焦平面芯片近表面耦合是比較有效的措施。Princeton Lightwave公司在響應(yīng)波長為1.06微米的 InP/InGaAs(P)單光子探測器（其焦平面規(guī)模為32 × 32，像元中心距100微米，像元直徑34微米）上采用微透鏡以后，其填充因子從9%提高到75%。

為了實(shí)現(xiàn)微透鏡和探測器芯片準(zhǔn)確對齊，Chang-Mo Kang和Simone Bianconi等在微透鏡和芯片上制作了對準(zhǔn)鍵（圖7（a）中直徑2微米的圓），利用圖7中（a）和（b）顯微鏡圖像中的十字對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn)鍵的校準(zhǔn)對位。結(jié)果表明，當(dāng)十字標(biāo)識的左邊緣和右邊緣都在圓形對準(zhǔn)鍵的中心時(shí)，整個(gè)探測器芯片上就實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的對齊。

麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，當(dāng)APD探測器光敏元為10微米時(shí)，需要能夠?qū)崿F(xiàn)的對中精度≤1微米。為此，他們研制了一個(gè)利用器件結(jié)構(gòu)識別方向的對中實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，如圖7（c）所示。單光子陣列規(guī)模為128 × 32，安裝在六自由度可調(diào)的裝置上，步進(jìn)小于100 nm。

圖7 芯片與微透鏡對中方法：（a）微透鏡上對準(zhǔn)鍵與十字標(biāo)記圖像；（b）探測器上對準(zhǔn)鍵與十字標(biāo)記圖像；（c）芯片與微透鏡對中系統(tǒng)示意圖

InGaAs單光子探測器探測信號非常微弱，為提高探測效率，降低其背景光的影響非常關(guān)鍵。主要有三種方法：時(shí)間分辨法，空間分辨法和光譜分光法。

光纖耦合封裝

InGaAs單光子探測器與光纖的耦合是目前其應(yīng)用的主要形式，能夠?qū)崿F(xiàn)長線列封裝應(yīng)用需求，而且光纖直徑小，可以有效降低空間光背景輻射。

封裝對準(zhǔn)工藝中，光纖與芯片之間耦合對準(zhǔn)的方法主要有兩類，一類是有源對準(zhǔn)，另一類是無源對準(zhǔn)。

有源對準(zhǔn)是在有光信號的情況下進(jìn)行光纖的實(shí)時(shí)對準(zhǔn)，利用高精度位移平臺進(jìn)行偏差調(diào)整，這種方法耦合效率較高。例如圖8，GLEBOV A L等設(shè)計(jì)的一套光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)系統(tǒng)，可以通過調(diào)整圖中所示的WD1和WD2、選擇不同的波長以及透鏡的替換，來實(shí)現(xiàn)將不同的光纖與不同的二極管有源區(qū)域的對準(zhǔn)耦合。在該系統(tǒng)中，在不考慮菲涅耳反射和散射損耗的情況下，對于450 nm-900 nm波長范圍內(nèi)的105 μm/0.22 NA MMF（Multi-Mode Fiber）與100微米直徑有源區(qū)的耦合和SMF28（Single Mode Fiber）與25微米直徑有源區(qū)的耦合，其理論耦合效率保持在90%以上。

圖8 光學(xué)系統(tǒng)示意圖及其耦合效率曲線。（a）光學(xué)系統(tǒng)示意圖；（b）105 μm/0.22 NA MMF與100微米直徑有源區(qū)的耦合效率曲線；（c）SMF28與25微米直徑有源區(qū)的耦合效率曲線

無源對準(zhǔn)是在無光信號情況下，封裝時(shí)通過對準(zhǔn)標(biāo)記或者限位槽來完成對準(zhǔn)耦合。對于一維光纖陣列，光纖限位通常使用V形槽，而二維限位結(jié)構(gòu)則可采用微孔陣列，其制作材料可以是Si、金屬、陶瓷、玻璃等。圖9為典型的V形槽限位結(jié)構(gòu)。

圖9?V形槽限位結(jié)構(gòu)

無源對準(zhǔn)可以依靠精密的加工技術(shù)來達(dá)到高耦合效率。唐君等人設(shè)計(jì)了一套用于無源耦合的組件，包含標(biāo)準(zhǔn)光纖接頭和精確定位插針等組件，如圖10所示。在倒裝焊設(shè)備的幫助下，帶有精密插孔的標(biāo)準(zhǔn)MT接頭可與芯片陣列精密對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度可達(dá)0.1微米。將兩者用護(hù)托臨時(shí)固定后，再對接有著精密插針的光纖陣列與標(biāo)準(zhǔn)MT接頭。對接完成后拆除護(hù)托，進(jìn)行金絲壓焊等。由于標(biāo)準(zhǔn)MT接頭上的插孔與定位插針是精確配合的，最終此方式的平均耦合效率在80%以上，且各個(gè)單元的耦合效率具有良好的一致性。

圖10 無源耦合示意圖

按耦合方式，光纖與芯片之間的對準(zhǔn)方法也可以分為兩類，即直接耦合與間接耦合。

直接耦合時(shí)中間無聚焦透鏡等元件，結(jié)構(gòu)簡單且規(guī)模不受限制。直接耦合有兩種探測器芯片的貼裝方法：臥式耦合和立式耦合，這兩種方法都是為了減小鍵合金絲的跨距從而減少級聯(lián)次數(shù)，進(jìn)而盡量減少射頻損耗和波動，如圖11所示。

圖11 探測器芯片貼裝方案：（a）臥式耦合；（b）立式耦

間接耦合通常采用微光學(xué)元件來提高耦合效率。用于耦合的微光學(xué)元件包括透鏡光纖、自聚焦透鏡、球透鏡、圓柱透鏡和非球面透鏡等。

針對光纖耦合型單光子探測器的氣密性封裝，直接耦合可采用光纖金屬化，將光纖與金屬管先進(jìn)行氣密性焊接；而間接耦合則可采用光窗式耦合，即采用光窗密封后再與光纖耦合。

總結(jié)與展望

本文主要介紹了InGaAs單光子探測器面陣規(guī)模進(jìn)展和常見封裝形式、封裝的主要影響因素和封裝的關(guān)鍵技術(shù)。溫度與探測器的電流增益和感應(yīng)靈敏度息息相關(guān)；探測器的高信號傳導(dǎo)頻率要求其導(dǎo)線和分立元件必須用分布參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)；TEC封裝設(shè)計(jì)、微透鏡與芯片的高精度耦合以及探測器與光纖的耦合是降低熱噪聲、提高響應(yīng)度和光耦合效率的關(guān)鍵。InGaAs單光子探測器具有廣闊的應(yīng)用前景，目前國外已向512 × 512以上規(guī)模發(fā)展，國內(nèi)則主要集中在單元探測器、線列或小面陣探測器，相應(yīng)的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未完全系統(tǒng)化。近紅外單光子探測器封裝時(shí)需綜合考慮芯片低溫工作性能、封裝系統(tǒng)溫度均勻性、抗干擾、抗背景輻射和光纖耦合精準(zhǔn)度等一系列問題，仍有待深入研究。

審核編輯：劉清