64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为6464的线性模式雪崩焦平面阵列（LM-APD-FPA）,它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路（ASIC）组成。该器件采用飞行时间（TOF）测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,6464 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。     

三维成像用128×2线性模式APD焦平面探测器设计

设计了一种用于激光三维成像的128×2线性模式APD焦平面探测器,器件包括硅基APD焦平面阵列和读出电路。硅基APD焦平面阵列采用拉通型n⁺-p-π-p⁺结构,像元中心距为150μm,工作在线性倍增模式。读出电路采用单片集成技术,将前置放大电路、TDC计时电路和ADC等功能模块集成在单一硅片上。整个线性模式APD焦平面探测器可实现128×2阵列规模的激光信号并行检测,并采用LVDS串口输出激光脉冲信号的飞行时间信息和峰值强度信息。测试结果显示,该线性模式APD三维成像探测器可同时获取时间信息和强度信息,成像功能正常。     

硅基线性模式APD焦平面研制

针对三维激光雷达的应用场景对雪崩光电二极管(APD)焦平面的性能要求,研究并制备了一种2×128硅基线性模式APD焦平面组件,它由硅基APD焦平面阵列、读出电路和制冷封装管壳组成。APD像元采用拉通型结构,通过大尺寸微透镜实现了高填充因子,通过隔离环掺杂实现了串扰抑制。通过离子注入工艺实现了击穿电压和响应电流的均匀性。设计大带宽低噪声跨阻放大电路、高精度计时电路,实现了窄脉宽、高灵敏度探测。采用气密性封装,实现了APD焦平面制冷一体化封装,制冷温差在40 K以上。测试结果表明,焦平面的探测阈值光功率可达3.24 nW,响应非均匀性为3.8%,串扰为0.14%,最小时间分辨率可达0.25 ns,实现了强度信息与时间信息同时输出的功能。     

HgCdTe雪崩光电二极管的研究进展

碲镉汞红外雪崩光电二极管(APD)阵列作为最近十多年来发展起来的新型探测器,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为未来微弱信号探测、二维/三维成像、主/被动探测应用的重要器件。本文重点阐述了雪崩光电二极管的基本原理、以及HgCdTe雪崩光电二极管材料和器件的研究,结合应用方向对其研究进展进行了综述性介绍。     

77 K下碲镉汞APD探测器的高精度时间数字转换电路

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)是目前红外焦平面技术前沿研究之一,低温下高精度时间标记读出电路是APD焦平面的基础,直接影响到APD红外焦平面性能.时间数字转换电路(TDC)是实现高精度时间标记的方法之一.基于对低温下金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Fie...     

基于硅雪崩光电二极管的紫外盖革模式电路的研制

本文旨在研制盖革模式电路并在两种紫外光照射下测试电路性能,为紫外通信提供数据参考.研制了适用于硅雪崩光电二极管(APD)的主动、被动两种盖革模式电路,设计并实现了输出可调至300.0 V的高稳定直流高压偏置电源,实测纹波电压小于20.4mV,纹波系数小于6.8×10-5.分别在可见盲和日盲两种紫外光照下,测试了被动盖革模式APD的死时间、暗计数和光子计数,给出了被动盖革模式工作的较佳高压偏置范围;紫外光照下,被动盖革模式APD的电路输出脉冲的死时间为1.0μs.基于被动盖革模式电路测试的参数,研制了主动盖革模式电路,实验结果表明:主动盖革模式电路输出脉冲的死时间为102.0 ns,光子计数的上限由被动盖革模式的1.0 MHz提高到主动盖革模式的9.8 MHz.因此主动盖革模式电路在数据传输时有更高的传输带宽,预计可满足一些图像传输或者视频通信的基本要求.     

InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

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。     

激光3D成像系统主被动探测技术的研究进展

随着探测器件技术的进步,新概念的主/被动3D成像技术将主被动探测技术优势有机结合起来,能同时获得目标更加丰富的图像信息(如距离像、强度像、距离-角度像等),从而为正确识别和跟踪目标提供更多的决策信息,大大提高了目标识别概率和可靠性.本文首先介绍了激光3D成像系统的发展现状,重点介绍了林肯实验室研制的Gen-Ⅲ系统和美国航空航天局的自主精确着陆和危险的检测避免技术项目的3D闪光激光雷达系统,接着结合HgCdTe雪崩光电二极管(APD)器件的特点介绍了下一代激光3D成像系统主被动探测技术的发展.最后对激光3D成像系统主被动探测技术的未来应用前景进行了展望.     

碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用(特邀)

碲镉汞线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点,在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。目前,国内已经开展了碲镉汞线性雪崩焦平面器件的研制工作,但缺乏评价其性能的方法及标准,同时对其的应用仍然处于探索阶段。首先分析了表征线性雪崩焦平面器件性能的关键参数,同时基于碲镉汞线性雪崩焦平面器件的特点,探讨了雪崩焦平面器件在主/被动红外成像、快速红外成像等领域的应用,最后对碲镉汞雪崩焦平面器件的未来发展进行了展望。     

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增...     

A Highly Sensitive Multi-element HgCdTe e-APD Detector for IPDA Lidar Applications

An HgCdTe electron avalanche photodiode (e-APD) detector has been developed for lidar receivers, one application of which is integrated path differential absorption lidar measurements of such atmospheric trace gases as CO₂ and CH₄. The HgCdTe APD has a wide, visible to mid-wave-infrared, spectral response, high dynamic range, substantially improved sensitivity, and an expected improvement in operational lifetime. A demonstration sensor-chip assembly consisting of a 4.3 μm cutoff HgCdTe 4 × 4 APD detector array with 80 μm pitch pixels and a custom complementary metal–oxide–semiconductor readout integrated circuit was developed. For one typical array the APD gain was 654 at 12 V with corresponding gain normalized dark currents ranging from 1.2 fA to 3.2 fA. The 4 × 4 detector system was characterized at 77 K with a 1.55 μm wavelength, 1 μs wide, laser pulse. The measured unit gain detector photon conversion efficiency was 91.1%. At 11 V bias the mean measured APD gain at 77 K was 307.8 with σ/mean uniformity of 1.23%. The average, noise-bandwidth normalized, system noise-equivalent power (NEP) was 1.04 fW/Hz^1/2 with a σ/mean of 3.8%. The measured, electronics-limited, bandwidth of 6.8 MHz was more than adequate for 1 μs pulse detection. The system had an NEP (3 MHz) of 0.4 fW/Hz^1/2 at 12 V APD bias and a linear dynamic range close to 1000. A gain-independent quantum-limited SNR of 80% of full theoretical was indicative of a gain-independent excess noise factor very close to 1.0 and the expected APD mode quantum efficiency.     

Gated IR Imaging with 128 × 128 HgCdTe Electron Avalanche Photodiode FPA

The next generation of infrared (IR) sensor systems will include active imaging capabilities. One example of such a system is a gated active/passive system. The gated active/passive system promises target detection and identification at longer ranges compared to conventional passive-only imaging systems. A detector that is capable of both active and passive modes of operation opens up the possibility of a self-aligned system that uses a single focal plane. The mid-wave infrared (MWIR) HgCdTe electron injection avalanche photodiode (e-APD) provides state-of-the-art 3 μm to 5 μm performance for the passive mode and high, low-noise, gain in the active mode, and high quantum efficiency at 1.5 μm. Gains of greater than 1000 have been measured in MWIR e-APDs with a gain-independent excess noise factor of 1.3. This paper reports the application of the mid-wave HgCdTe e-APD for near-IR gated-active/passive imaging. Specifically a 128 × 128 focal-plane array (FPA) composed of 40-μm-pitch MWIR cutoff APD detectors and custom readout integrated circuit was designed, fabricated, and tested. Median gains as high as 946 at 11 V bias with noise equivalent photon inputs as low as 0.4 photon were measured at 80 K and 1 μs gate times. This subphoton sensitivity is consistent with the high gains, low excess noise factor, and low effective gain normalized dark-current densities, near or below 1 nA/cm², that were achieved in these FPAs. A gated imaging demonstration system was designed and built using commercially available parts. High resolution and precision gating was demonstrated in this system by imagery taken at ranges out to 9 km.     

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APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管（APD）面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。     

具有背景抑制功能的长波红外读出电路

为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度，目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持，同时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快饱和，且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结构以及长波碲镉汞探测器暗电流分析的基础上，设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合，可以在较大的背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采用电压-电流转换法，差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时信号放大，背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS工艺流片。测试结果表明:读出电路的FPN值为2.08 mV。未开启背景抑制时，焦平面FPN值为48.25 mV。开启背景抑制后，焦平面FPN值降至5.8 mV。基于探测器的暗电流非均匀分布，计算其理论FPN值为40.9 mV。长波红外焦平面输出信号的RMS噪声在0.6 mV左右。     

基于CTIA的PV-HgCdTe线阵近红外激光响应特性

使用超连续谱激光辐照PV 型线阵HgCdTe 探测器,探测到了线阵器件输出信号随光照强度变化的全过程,发现了被辐照单元过饱和降压、低压稳定输出的反常响应规律;同时,未被辐照单元也存在响应。在总结实验响应规律的基础上,给出了各不同响应阶段功率阈值范围,并分别对辐照单元出现的过饱和降压、低压稳定输出等异常现象及未被辐照单元存在的整体降压反常响应现象进行了深入研究。研究认为采用CDS 相关双采样电路使器件的基底信号在强光下存在光响应是造成辐照单元异常响应的主要原因;而器件内部公共P 级结构、电路共用Vref 电压结构是导致未被辐照单元反常响应输出的主要因素。     

干涉式大气垂直探测仪读出电路研究

干涉式大气垂直探测仪是风云4号气象卫星的重要有效载荷,用于获取大气的多种三维信息。成功设计了一款适用于干涉式大气垂直探测仪的红外焦平面读出电路。电路采用CTIA注入级结构,积分电容4档可选。并且工作方式灵活,同时采用相关双采样结构有效地降低了电路输出噪声。电路使用CSMC 0.5 m 2P3M 5 V工艺流片,电路测试结果符合理论设计预期,噪声小于0.14 mV,动态范围达到85.6 dB。耦合中波HgCdTe探测器测试正常,噪声小于0.43 mV,动态范围达到75.6 dB,符合干涉式大气垂直探测仪红外焦平面要求。