關(guān)于硅光電倍增管，也就是SiPM，為了更好地體現(xiàn)其基本形態(tài)和功能，濱松很早以前將其命名為Multi－Pixel Photon Counter（多通道光子計(jì)數(shù)器），即MPPC。所以，其實(shí)市面上所說(shuō)的MPPC和SiPM是一種器件。同樣，Single Photon Avalanche Diode（SPAD）在濱松的命名為SPPC，亦旨在體現(xiàn)其單通道的特性。

MPPC作為新一代的半導(dǎo)體光電器件，因?yàn)槠涓咴鲆娴忍匦?，在許多應(yīng)用中都獲得了極高的期待，LiDAR也是其中一。在LiDAR的應(yīng)用中，PDE（Photo Detection Efficiency，即光子探測(cè)效率），一直以來(lái)是MPPC被比較突出看中的一個(gè)特性。的確，這至關(guān)重要，且是越高越好，不過(guò)有一個(gè)問(wèn)題是我們需要充分認(rèn)識(shí)到的，那就是PDE的提升，需要建立在器件“延時(shí)脈沖”問(wèn)題的解決上，以此MPPC才能在LiDAR應(yīng)用中真正地發(fā)揮出更好的作用。接下來(lái)我們就來(lái)聊一聊這個(gè)話(huà)題。 在此之前，先來(lái)看看為什么說(shuō)MPPC適合于LiDAR，以及它到底適合什么樣的LiDAR應(yīng)用？ MPPC由于其105～106的內(nèi)部增益而受到關(guān)注，在電信號(hào)信噪比的計(jì)算中我們可以看出器件的增益對(duì)于整體電學(xué)信噪比的提升作用，如APD的SNR計(jì)算公式：

P（R）為接收光強(qiáng)；Sλ為靈敏度；PB為背景光功率；R0為負(fù)載電阻，B為探測(cè)電路帶寬

如果將增益M放在后面的熱噪聲中，可以發(fā)現(xiàn)，增益對(duì)于信噪比的貢獻(xiàn)在于降低了后端電路的探測(cè)下限。 MPPC則是這樣，而其增益會(huì)更高。不過(guò)隨著增益的提升，背景光噪聲的影響變得非常重要，很可能在強(qiáng)背景光中使器件直接飽和而失去對(duì)下一次接收信號(hào)的響應(yīng)。通過(guò)下面這個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以更直觀的看到這個(gè)問(wèn)題：

我們使用相同接收光路（入射孔徑、濾波片可切換）和相同面積的三種器件作為接收端模擬200m距離時(shí)的情況，其中入射孔徑（Aperture）使用2mm的光闌，在100lux時(shí)的信號(hào)如下：

如果將背景光提升為100Klux，連續(xù)白噪聲將會(huì)淹沒(méi)此時(shí)未經(jīng)信號(hào)處理的APD探測(cè)器，而MPPC仍然可以分辨出此時(shí)的信號(hào)。但如果將光闌孔徑提升至8mm或更大，APD的信號(hào)會(huì)再次出現(xiàn)，MPPC噪聲急劇增加而SPPC完全飽和抑制：

因此，在增益型器件中，增益越大對(duì)于后端噪聲的反向抑制能力越強(qiáng)，而抗光噪聲的能力卻越弱。對(duì)于MPPC來(lái)說(shuō)，如何設(shè)計(jì)接收角度，是它在LiDAR應(yīng)用中至關(guān)重要的一點(diǎn)。要么使用小入射光孔徑和使用窄帶濾光片，要么增加探測(cè)器通道數(shù)進(jìn)行角度分割。如此才能更好的提取信號(hào)，利用好其高增益的特點(diǎn)。

以上為濱松將推出的16通道線(xiàn)陣和32×32通道面陣MPPC產(chǎn)品

做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)：MPPC的高增益有助于消除后期的電噪聲，但是帶來(lái)的了光噪聲的劣勢(shì)。要想用好MPPC，只能減少光噪聲。而通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的處理或MPPC陣列的角度分割，將視場(chǎng)角縮小，則可以達(dá)到效果。想要將MPPC應(yīng)用到LiDAR中，這是一個(gè)前提。
不過(guò)，并不是所有問(wèn)題都可以通過(guò)器件外部的光學(xué)設(shè)計(jì)而解決的。我們?cè)谇拔乃f(shuō)到的“延時(shí)脈沖”即使如此。 我們都知道PDE的高低是衡量MPPC探測(cè)效率的關(guān)鍵參數(shù)，但可能忽略了另一個(gè)不常注意，但在激光雷達(dá)中至關(guān)重要的參數(shù)“串?dāng)_Crosstalk”。在實(shí)際LiDAR的應(yīng)用中，當(dāng)有強(qiáng)光返回時(shí)，會(huì)有很高概率產(chǎn)生20us以上的拖尾，影響下一次脈沖的接收。那么該拖尾能通過(guò)后續(xù)電路消除嗎？讓我們來(lái)看MPPC串?dāng)_的種類(lèi)有哪些：

根據(jù)以上表格可以看出，瞬時(shí)性串?dāng)_的主要來(lái)源是光，包括通道間直接光子串?dāng)_和器件表面反射光子串?dāng)_。在使用單光子源測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的光串?dāng)_脈沖波形如下：

而延時(shí)性脈沖的來(lái)源則為電子串?dāng)_，包含后脈沖和延時(shí)串?dāng)_脈沖兩種。同一像素中電子延時(shí)釋放形成后脈沖，而電子擴(kuò)散到相鄰像素會(huì)產(chǎn)生延時(shí)串?dāng)_脈沖。在單光子信號(hào)入射的情況下，恢復(fù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的后脈沖幅值小于信號(hào)脈沖，而恢復(fù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的延時(shí)串?dāng)_脈沖則維持相同的幅度。請(qǐng)注意，如果在恢復(fù)時(shí)間之外，這兩種原因產(chǎn)生的延遲性串?dāng)_不可區(qū)分。濱松將這兩種串?dāng)_信號(hào)統(tǒng)稱(chēng)為Delayed pulse（延時(shí)脈沖）。

此時(shí)強(qiáng)光入射后產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間拖尾為Delayedpulse（延時(shí)脈沖）造成，這一階段，MPPC中不斷的有電子串到相鄰的多個(gè)像素且有概率產(chǎn)生后脈沖，從而影響下一次脈沖的探測(cè)。由于該信號(hào)是器件本身產(chǎn)生的多個(gè)信號(hào)的疊加，外部電路也無(wú)法消除其影響，只能從器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行根本性的改進(jìn)。

濱松在2017年推出了當(dāng)時(shí)PDE明顯優(yōu)于市場(chǎng)水平的MPPC產(chǎn)品S13720系列，但接下來(lái)的時(shí)間里并未執(zhí)著于對(duì)此參數(shù)的提高，即是在與LiDAR開(kāi)發(fā)者密切互動(dòng)中，了解到了“延時(shí)脈沖”必然會(huì)帶來(lái)的應(yīng)用掣肘。雖然從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層面去進(jìn)行重新實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，是十分繁瑣困且耗時(shí)的，但是是必行之路。僅先提高PDE雖會(huì)相對(duì)快速，不過(guò)器件存在的根本性問(wèn)題未解決，就好像只搭高臺(tái)而地基卻依然松散一樣，這對(duì)于MPPC的實(shí)際應(yīng)用，是缺少真正建設(shè)性意義的。

通過(guò)兩年的攻克，濱松新型的MPPC產(chǎn)品已極大程度上解決了此問(wèn)題，其延時(shí)脈沖概率會(huì)從S13720系列的38％降低到1％，新品預(yù)計(jì)在今年年中推出。接下來(lái)，濱松也計(jì)劃在短時(shí)間內(nèi)，將MPPC的PDE水平大幅提升，以更好的滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。

濱松新一代MPPC與上代產(chǎn)品的對(duì)比長(zhǎng)拖尾問(wèn)題已極大程度得到解決

審核編輯 黃昊宇