Geiger Mode로 동작하는 3차원 LADAR 광수신기 개발

Abstract

본 논문에서는 3차원 영상 획득을 위한 LADAR(LAser Detection And Ranging)용 광수신기 모듈을 설계-제작하고 측정한 결과를 보고한다. 광수신기 모듈은 1 km 이상의 거리에서도 신호를 측정할 수 있도록 디지털모드(Geiger Mode)에서 동작하는 InGaAs APD(Avalanche Photodiode)로 설계하였으며, <TEX>$16{\pm}16$</TEX> FPA(Focal Plane Array)로 설계-제작하였다. 디지털모드(Geiger Mode)는 항복전압 이상의 영역에서 동작하여 작은 광에 대해 반응 할 수 있게 큰 증폭률을 가지게 된다. 1ns의 FWHM(Full Width at Half Maximum)을 갖는 펄스를 수광할 수 있고, 배열 크기는 <TEX>$16{\pm}16$</TEX>, Geiger Mode 동작 등의 특성을 만족하도록 광수신기를 구성하기 위해 ROIC(Read Out Integrated Circuit)를 자체적으로 설계-제작하였다. 제작된 광수신기 모듈은 원거리 표적정보 획득이 가능하며, PDE(Photon Detection Efficiency)는 28%, DCR(Dark Count Rate)은 140 kHz 이하의 특성을 보였으며, LADAR 시스템에서 3차원 영상을 획득하였다. 이는 <TEX>$16{\pm}16$</TEX> FPA APD를 이용한 광수신기에서 가장 우수한 특성을 나타낸 것이다. In this paper, we report the design, fabrication and characterization of the 3-Dimensional optical receiver for a Laser Detection And Ranging (LADAR) system. The optical receiver is composed of three parts; <TEX>$16{\pm}16$</TEX> Geiger Mode InGaAs Avalanche Photodiode (APD) array device operated at 1560 nm wavelength, Read Out Integrated Circuit (ROIC) measuring the Time-Of-Flight (TOF) of the return signal reflected from target objects, a package and cooler maintaining the proper operational condition of the detector and control electronics. We can confirm that the LADAR system can detect the signal from a target up to 1.2 km away, and it showed low Dark Count Rate (DCR) of less than 140 kHz, and higher than 28%-Photon Detection Efficiency (PDE). This is considered to be the best performance of the <TEX>$16{\pm}16$</TEX> FPA APD optical receiver for a LADAR system.