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.     

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。     

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。     

用于空间目标单光子探测的SPAD性能定标

通过具体的地面模拟实验对应用在空间目标探测中的单光子探测器(SPAD)进行了定标。在空间目标探测中,考虑到与红外被动探测复用,所选取的SPAD的单光子雪崩二极管(APD)为InGaAs-APD;由于目标信息(比如距离)的不确定性,所使用的SPAD的外围抑制模式采用了主动抑制技术;对工作模式,雪崩电压,反偏电压和倍增因子,量子效率,暗计数,死时间几个方面进行了简单的介绍,建立了探测器响应接收能量的计数性能曲线,最后证实了其探测灵敏度是单光子水平的。结果表明,将目前广泛用于量子通信中的SPAD尝试用于空间目标探测中是具有可行性和有意义的。     

多模光纤耦合InGaAsP/InP单光子探测器模块

针对1 064 nm波段高灵敏激光测距应用,设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块.SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计,内部电场分布经Matlab软件仿真,结果显示该结构具有良好的增益特性.SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声.低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成,淬灭时间约为1.2 ns,有效减少了后脉冲效应.测试结果表明,在-30℃,探测效率为30.2％下,暗计数率仅为1.9 kHz,在死时间为0.8μs时,后脉冲为10.4％.通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势,能够满足小型化激光测距应用需求.     

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.     

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。     

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。     

1030nm单光子探测激光雷达技术

1μm波段单光子探测激光雷达因大气透过率高、背景噪声低、红外隐蔽性好、激光脉冲能量高,在远距离激光测距和成像方向极具发展前景。然而,传统的1064nm激光器缺少对应的高性能的单光子探测器,成为1μm波段单光子探测激光雷达的发展瓶颈。盖革Si APD单光子探测器(Si SPAD)具有优异的探测性能,但是其在1064nm波长的探测效率极低。针对这个激光器与探测器的矛盾,本文研究1030nm波长单光子探测激光雷达技术,Si SPAD在1030nm的探测效率是1064nm的29倍,相同条件的单光子探测激光雷达探测距离提升678。另外,本文搭建双棱镜光束扫描装置,演示了1030nm波长的单光子三维成像。     

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.     

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。     

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。     

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1 550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器...     

A fast driver circuit for single-photon sensors

A fast active quenching and recharging circuit (AQRC) for single-photon avalanche diodes (SPAD) is presented in this paper. The proposed driver exhibits a lower than 10 ns overall quenching time allowing a tunable excess voltage from 5 to 12 V. The circuit was designed by using the dielectrically insulated BiCMOS technology supplied by ST Microelectronics. Many post-layout ELDO simulations have validated the high performance of the proposed topology, which is actually the fastest AQRC reported in the literature.