中國西南技術物理研究所的宋海智教授帶領的研究團隊提出了一種基於InGaAs/InP負回饋雪崩二極體(NFAD)的近紅外自由運行單光子計數集成模組設計。InGaAs/InP負回饋雪崩二極體通過集成負回饋電阻實現自我熄滅,是一種新型的高靈敏度全固態半導體器件,其結構基於單光子雪崩二極體。該模組包含主動熄滅與提取電路、取樣與處理電路、上位機軟體設計以及TEC等,用於服務採用InGaAs/InP材料的SAGCM結構的NFAD,使其以蓋格模式運行。在該模組中,研究人員專門設計了全差動放大器和比較器,通過檢測和提取弱的雪崩信號並將其轉化為TTL脈衝,以發揮NFAD的性能。雪崩檢測判讀閾值電壓通過外部高精度DAC進行調節,死時間可以通過FPGA進行編程設置。該系統模組提供時序邏輯,以避免差動放大器耦合噪聲引起的假計數。通過開發圖形化用戶界面(GUI)程序,能夠進行檢測器工作參數配置、實時計數數據顯示以及進一步滿足不同應用需求。製成的模組在223K、1550nm條件下,分別具有7.9%和15.8%的光電檢測效率,1.37kHz和1.06kHz的暗計數率,以及200ns和1μs死時間下34.2%和16.8%的後脈衝概率,展現出NFAD的良好性能。這表明一個具有快速檢測速度、快速熄滅時間、靈活死時間調節、體積小、集成度高的近紅外單光子計數系統將很快出現,以支持雷射雷達和量子資訊設施。

該研究成果發表於2023年8月6日在美國加州舊金山舉行的國際光電資訊與功能材料會議(OIFM 2023)上。