SPAD阵列读出电路关键技术与发展趋势(特邀)

首先针对SPAD阵列读出电路的特点,将电路主要分成接口电路与信号处理电路两大部分,其次根据单光子雪崩光电探测器的阵列的不同应用场景,阐述了集成读出电路中核心电路模块设计的关键技术。分别从SPAD的接口电路设计、两种典型应用成像模式(光子计时、光子计数)中核心电路的设计方面,详细分析此类电路的关键技术以及国内外研究团队在此类电路的研究进展与存在的问题。最后根据目前国内外研究的进展情况,分析了SPAD阵列集成读出电路的发展趋势以及各类电路存在的设计重点与难点,为SPAD阵列读出电路的设计提供一些参考。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

单光子探测器SPICE模型及主被动混合淬灭电路研究

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题,设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数,建立了SPAD的SPICE模型;使用被动淬灭电路对该模型进行验证,证实了该模型的准确性和实用性;结合SPICE模型,通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明,所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps,满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单,可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。     

单光子雪崩二极管的被动-主动混合抑制技术

采用主动快恢复技术,设计了缩短死时间的被动-主动相结合的抑制电路,制作出高量子效率、低噪声、死时间短的单光子探测器,探测器的死时间由原来的大于2μs缩短为小于100ns,计数率达到5 MHz以上.利用TAC/MCA技术对单光子雪崩二极管(SPAD)输出信号进行了光子自相关测量,研究了2个相邻单光子计数脉冲时间分布统计效应,直接观测到了采用被动-主动混合抑制技术后死时间的改善.     

Compact SPAD pixels with fast and accurate photon counting in the analog domain

A compact pixel for single-photon detection in the analog domain is presented.The pixel integrates a single-photon avalanche diode (SPAD),a passive quenching & active recharging circuit (PQARC),and an analog counter for fast and accurate sensing and counting of photons.Fabricated in a standard 0.18μm CMOS technology,the simulated and experimental results reveal that the dead time of the PQARC is about 8 ns and the maximum photon-counting rate can reach 125 Mcps (counting per second).The analog counter can achieve an 8-bit counting range with a voltage step of 6.9 mV.The differential nonlinearity (DNL) and integral nonlinearity (INL) of the analog counter are within the ± 0.6 and ± 1.2 LSB,respectively,indicating high linearity of photon counting.Due to its simple circuit structure and compact layout configuration,the total area occupation of the presented pixel is about 1500μm2,leading to a high fill factor of 9.2％.The presented in-pixel front-end circuit is very suitable for the high-density array integration of SPAD sensors.     

低暗计数率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGaAs （x=0.53）材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y（x=0.78,y=0.47）材料作为光吸收层,并且精确控制InP倍增层的雪崩长度,有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好,可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结,InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV,截止波长为1.2 m,可满足1.06 m单光子探测需要。同时,通过设计并研制出1.06 m InGaAsP/InP SPAD,对其特性参数进行测试,结果表明,当工作温度为270 K时,探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。     

激光云高仪单光子探测器混合抑制电路研究与设计

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间在2 ?s以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。     

Silicon planar technology for single-photon optical detectors

Design and fabrication of single photon avalanche detector (SPAD) in planar technology is reported. Device design and critical issues in the technology are discussed. Experimental test procedures are described for dark-counting rate, afterpulsing probability, photon timing resolution, and quantum detection efficiency. Low-noise detectors are obtained, with dark counting rates down to 10 c/s for devices with 10 /spl mu/m diameter, down to 1 kc/s for 50 /spl mu/m diameter. The technology is suitable for monolithic integration of SPAD detectors and associated circuits.     

用于1 550 nm光子检测的InGaAs/InP 单光子雪崩二极管的温度相关性

在越来越多的光子计数应用中,用于近红外光波长领域的单光子探测器受到广泛关注。例如在量子信息处理、量子通信、3D激光测距（LiDAR）、时间分辨光谱等光子计数应用领域。文中设计并展示了用于探测1 550 nm波长光子的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）。这种SPAD 采用分离吸收、过渡、电荷和倍增区域结构 (SAGCM),在盖革模下工作时具有单光子灵敏度。SPAD的特性包括随温度范围223~293 K变化的击穿电压、暗计数率、单光子检测效率和后脉冲概率。25 μm 直径的 SPAD 显示出一定的温度相关性,击穿电压随温度的变化率约为100 mV/K。当SPAD在盖革模式下温度为223 K工作时,在暗计数率为4.1 kHz,后脉冲概率为3.29%的基础上,对1 550 nm光子实现了21%的单光子探测效率。文中还分析和讨论了SPAD温度相关性的单光子探测效率、暗计数率和后脉冲概率的来源和物理机制。这些机制分析、讨论和计算可以为SPAD的设计和制备提供更多的理论支持和依据。     

Si-APD单光子探测器的全主动抑制技术

为了缩短单光子探测器工作的死时间,提高单光子计数率,在分析单光子探测器被动抑制工作模式的基础上,针对硅雪崩光电二极管的工作特点,实验设计了精密快速的抑制电路,用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复,实施了主动淬灭与快恢复相结合的全主动抑制技术。结果表明,该技术使探测器工作在更加安全高效的全主动抑制模式下,最后实验测得探测器总的死时间由原被动抑制模式下大于2μs缩短至120ns,单光子计数率由被动模式下低于1MHz上升到8MHz以上,从而达到了提高计数率的目的,满足一些单光子高效检测和计数的需要。     

基于SPM的光子探测技术

光子探测技术是弱光探测领域的热点,介绍了SPM(硅光电倍增管阵列)探测器件的工作原理、基本结构、性能特点,为了验证SPM探测器的光子探测性能以及光子分辨能力,利用高速跨导放大器设计了SPM光子探测电路,并进行了光子探测实验研究。根据实验结果可以得出结论,SPM探测器具有较好的光子分辨特性。     

硅单光子探测器研制及其在高精度星地时间比对中应用（特邀）

高精密时频比对是实现全社会信息化系统高精度的时空一致性和时频稳定性的关键技术,为国民经济发展的关键领域提供统一的时间保障。硅单光子探测器凭借其高探测效率、低噪声、低时间抖动、易于集成等优势,成为高精度星地时间比对系统中的关键核心芯片。文中分析了硅单光子探测器探测效率、暗计数和时间抖动之间的相互制约关系,在深入分析硅单光子探测器的最新研究进展的基础上,有效地攻克了探测效率和时间抖动之间的相互制约矛盾,研制出光敏面直径为200 μm、室温下探测效率达50%、时间抖动仅为46 ps的硅单光子探测器芯片,最后简单介绍了该芯片在星地时间比对中的应用效果。     

APD单光子探测技术

单光子探测器是量子保密通信的主要器件,同时也是量子通信中重要的研究课题。本文分别介绍了量子保密通信用APD单光子探测技术及其工作在无源抑制、有源抑制和门模式下的基本工作特性,分析了他们各自的优缺点及其未来的发展方向。     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.     

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD).对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择.SPAD必须与猝熄电路配套工作.基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等.对于SPAD器件测试和...     

单光子探测条件下Rb法拉第反常色散滤波器的研究

报道了单光子探测条件下的法拉第反常色散滤波器(FADOF)滤波特性的实验结果。测量结果表明，工作在D2共振线的Rb原子780nm法拉第反常色散滤波器的翼谱透射率为28％，滤光带宽为0．7GH2，以及最小可探测激光功率为0．16pW／cm^2。由于使用了单光子探测器测量法拉第反常色散滤波器物理参数的方法，极大地提高了实验测量的探测灵敏度。通过实验数据分析，给出了相关的讨论。在日光情况下，如果使用这种780nm Rb法拉第反常色散滤波器代替干涉滤波片，将极大地降低背景光噪声和减少误码率，使得在单光子水平的激光通信更接近于实用。     

采用传感器融合网络的单光子激光雷达成像方法

激光雷达系统采用主动照明的方式，激光发射脉冲周期信号至目标场景，激光脉冲经目标表面漫反射，由单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）探测器记录回波光子的到达时间，获得场景的深度信息。然而在探测过程中，测量结果往往会遭到环境光的干扰。传感器融合是进行单光子成像的有效方法之一。最近提出的基于LiDAR和强度相机融合的数据驱动方法大多采用扫描式激光雷达，深度获取速度慢。SPAD阵列的出现打破了帧率的限制。SPAD阵列允许同时收集多个回波光子，加速了信息采集，但分辨率较低，在探测过程中还会受到环境光的干扰，因此需要通过算法打破SPAD阵列的固有限制，从噪声中分离深度信息。针对分辨率为32×32 pixel的SPAD阵列探测器，提出了一种卷积神经网络结构，旨在强度图的引导下，将低分辨率TCSPC直方图映射至高分辨率深度图。该网络采用多尺度方法提取输入特征，并基于注意力模型融合深度数据和强度数据。另外，设计了一个损失函数组合，适用于处理TCSPC直方图数据的网络。在采集数据上进行了验证，提出方法能成功将深度数据的空间分辨率提升4倍，并在质量和数据指标上都优于其他算法。     

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

根据拉曼散射光的特点,选用一种由硅雪崩光电二极管（APD）组成的多像素倍增器件作为光电转换器,设计了一套单光子探测器。为降低探测过程的噪声,探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块,并配有用于雪崩特性研究的测试模块,并通过调整电路参数优化探测性能。测试结果表明：探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点,适合在气体拉曼分析系统中使用。     

基于石墨烯探测器的积分电路设计

为了解决石墨烯探测器光电探测的难题,针对石墨烯探测器受光照像元电阻发生变化的特点,设计了基于石墨烯探测器的新型积分电路结构。该积分电路结构主要包含前端偏置电路、运算放大器以及开关和反馈电容等部分,电路主要利用暗像元电阻不随光照变化,而感光像元电阻会随光照强度变化而变化的特点,将光照条件下暗像元支路的电流与感光像元支路电流的差作为光响应电流,并采用CTIA积分电路进行电流积分,将光响应电流转换为积分电压输出,进而实现石墨烯探测器对光响应信号的探测和输出。文中对相关的主要电路设计进行了分析,并基于Cadence ADE仿真环境完成了电路仿真。经仿真分析,基于文中的积分电路,可以将不同光照条件下石墨烯探测器的光响应转换为对应的积分电压输出。可见,所设计的积分电路能够满足石墨烯探测器对光响应探测的需求,对石墨烯材料进入光电探测器领域具有重要意义。     

A CMOS 3-D Imager Based on Single Photon Avalanche Diode

A 64-pixel linear array aimed at 3-D vision applications is implemented in a high-voltage 0.8 mum CMOS technology. The detection of the incident light signals is performed using photodiodes biased above breakdown voltage so that an extremely high sensitivity can be achieved exploiting the intrinsic multiplication effect of the avalanche phenomenon. Each 38times180-mum² pixel includes, besides the single photon avalanche diode, a dedicated read-out circuit for the arrival-time estimation of incident light pulses. To increase the distance measurement resolution a multiple pulse measurement is used, extracting the mean value of the light pulse arrival-time directly in each pixel; this innovative approach dramatically reduces the dead-time of the pixel read-out, allowing a high frame rate imaging to be achieved. The sensor array provides a range map from 2 m to 5 m with a precision better than plusmn0.75% without any external averaging operation. Moreover, with the same chip, we have explored for the first time the implementation of an indirect time-of-flight measurement by operating the proposed active pixel in the photon counting mode