单光子探测器SPAD恒温控制系统设计

分析了单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器雪崩电压的温度特性,得出SPAD的雪崩电压随温度变化约为0.7 V/℃,需要设计恒温控制电路保证SPAD的正常工作.从最优温度控制策略的角度,选用MAX1978温度控制芯片进行电路设计实现SPAD的温度恒定.简要介绍了恒温控制系统的工作原理及各个组成部分.通过恒温控制电路实验验证了电路的可行性,恒温控制电路可以在1 min内使SPAD的工作环境温度恒定在0.06℃内,温度控制速度和精度均能满足SPAD温度恒定的要求,确保单光子探测器SPAD正常工作,使单光子探测器SPAD具有更好的探测性能.     

高性能单光子雪崩二极管在180 nm CMOS工艺中的设计与实现

为了实现大阵列电路集成,文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8 μm的单光子雪崩二极管器件是基于上海宏利GSMC 180 nm CMOS图像传感器(CIS)技术实现的.由于采用有效的器件结构,其击穿电压是15.2 V,淬灭时间是7.9 ns.此外,该器件实现了宽的光谱灵敏度,其在低过电压下的光子探测概率(PDP)从470 nm到680 nm光波长段最高可达15.7%.并且它在室温下的暗计数率相当低.     

基于APD-PIN结电容平衡电路的门控单光子探测器

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于610-6/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。     

用于光子计数的InGaAs/InP SPAD设计

重点研究了InGaAs/InP SPAD的隧道贯穿电场、雪崩击穿电场、雪崩宽度与过偏电压的关系,提出了过偏电压的计算方法.分析了InGaAs/InP SPAD的基本特性即探测效率、暗计数率与其过偏电压、工作温度、量子效率、电场分布的依赖关系,提出了一种单光子InGaAs雪崩二极管的设计方法.设计制作了InGaAs/InP SPAD,并在门控淬灭模式下进行了单光子探测实验.结果表明:对于200m的SPAD,在过偏2 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 20%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)20 kHz;对于50m的SPAD,在过偏2.5 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 23%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)2 kHz.最后对实验结果进行了分析和讨论.     

激光测距应用中雪崩光电二极管最佳工作状态的再研究

回顾了雪崩光电二极管最佳工作状态的确定方法。根据R.J.McIntyre给出的关于达通型雪崩光电二极管的噪声谱密度结果,分析了不同背景下,确定最佳工作状态的最佳噪声分配比的特性,并给出了实验结果。给出了不但能确定和保持雪崩光电二极管的最佳工作状态,而且可以保持恒定的虚警率的实用方法。     

可作光子计数的雪崩光电二极管

对于光电倍增管不适用的高灵敏度弱光探测应用，存在一种固体替代器件，即雪崩光电二极管。这种器件在半导体内产生光电倍增，而光电倍增管在真空中产生电子倍增。雪崩光电二极管具有与半导体技术有关的微型化优点。由于这种器件能对单光子计数和探测很短时间间隔，它们已在光雷达、测距仪探测器和超灵敏光谱学方面找到日益增长的应用。另外，雪崩光电二极管在光纤通讯方面正与PIN光电二极管相竞争。雪崩光电二极管如何工作与任何光电二极管，样，雪崩光电二极管中由两类半导体组成的p-n结只允许电流在一个方向流动。光电二极管由一个掺有…     

1.54μm APD光电探测器组件的研制及应用

主要从长波长人眼安全测距方面讨论和研究了InGaAs雪崩光电二极管的前置放大器的电路原理和参数的设计以及光电探测器组件混合集成.着重从激光测距方面的应用探讨了由InGaAs雪崩光电二极管组成的激光接收器的应用电路的选择和设计.从测距使用的角度对InGaAs雪崩光电二极管的光电特性与偏置电压的关系进行了测试,从而了解该器件与硅雪崩二极管的光电性能的差异,从而为更好的应用InGaAs雪崩光电二极管提供参考和依据.研制的InGaAs雪崩光电二极管探测器组件及接收器在激光测距机中进行了测距应用,在激光能量为7毫焦耳测距集中进行测距,初步达到了要求.     

单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。     

基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子TOF传感器像素设计

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足,采用p阱和STI共同作为保护环,避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积,增加深n阱使有源区耗尽层变窄,从而降低雪崩击穿电压,增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长,以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式,采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭,以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真,验证了该设计的可行性。     

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。     

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。     

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.     

一种单光子雪崩光电二极管主动淬火电路

We present a novel gated operation active quenching circuit （AQC）. In order to simulate the quenching circuit a complete SPICE model of a InGaAs SPAD is set up according to the I-V characteristic measurement resuits of the detector. The circuit integrated with a ROIC （readout integrated circuit） is fabricated in an CSMC 0.5 μm CMOS process and then hybrid packed with the detector. Chip measurement results show that the functionality of the circuit is correct and the performance is suitable for practical system applications.     

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.     

基于APD参数建模的单光子探测研究

单光子探测技术对于量子密钥分配乃至量子通信有重要的意义。针对单光子雪崩光电二极管（SPADs）的单光子量子效率（SPQE）,提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3和1.5um的In052Al048As、InP倍增层和In052Al048As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。     

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。