用于精确激光雷达应用的全集成自由运行 InGaAs/InP 单光子探测器

我们提出了一种基于全集成 InGaAs/InP 负反馈雪崩二极管 (NFAD) 的自由运行单光子探测器 (SPD)，专为精确激光雷达应用而设计。系统采用自由活塞斯特林制冷机在大温度范围内对 NFAD 进行冷却，并在现场可编程门阵列中实现有源保持电路以进一步抑制后脉冲效应。在实际激光雷达应用中，对自由运行 SPD 的关键参数进行了专门优化，包括光子探测效率 (PDE)、暗计数率 (DCR)、后脉冲概率和最大计数率 (MCR)。随后，我们使用脉冲重复频率为 20 kHz 的 Mie 激光雷达系统进行了野外实验，以比较自由运行 InGaAs/InP SPD 与商用超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 的性能。我们的探测器表现出良好的性能：在 50 $\mu$s 周期内，MCR 为 1.6 Mcps（保持时间 0.6 $\mu$s），PDE 为 10%，DCR 为 950 cps，后脉冲概率为 18%。该性能逊于 PDE 为 60% 且 DCR 为 300 cps 的 SNSPD。然而，在应用我们开发的后脉冲与计数率校正特定算法后，使用我们 SPD 的激光雷达系统在距离修正信号 ($Pr2$) 分布方面的表现与使用 SNSPD 的结果高度一致，相对误差仅为约 2%。得益于 InGaAs/InP NFAD 低成本和小型化的优势，此类探测器为精确激光雷达应用提供了一种实用的解决方案。