基于4H-SiC APD单光子探测的主动淬灭电路研究

为了对比不同类型淬灭电路对4H-SiC雪崩光电二极管(APD)探测性能的影响,采用被动淬灭电路(PQC)和主动淬灭电路(AQC),对两种类型SiC紫外APD进行了单光子探测实验,发现在PQC较长死区时间内,会频发后脉冲现象,导致APD的暗计数率(DCR)较高,从而降低器件的信噪比;对APD后脉冲概率的时间分布进行了研究,并进一步对AQC在更高器件过偏压下单光子探测中出现的问题进行了分析,提出了电路改进方案。结果表明,通过将AQC死区时间调整至45 ns,在相同单光子探测效率下,可将器件DCR减少至原先水平的1/4;通过有效抑制后脉冲和加快APD恢复速度,AQC可使器件展现出更加优越的探测性能。此研究为SiC APD在单光子探测中的应用提供了一定的参考。

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。

单光子激光测距淬灭电路设计优化

随着对激光测距测程要求的提高,以量子探测和概率统计理论为基础的单光子激光测距技术逐渐成为发展的新方向,单光子测距灵敏度高、测程远,探测器常用盖革模式下的雪崩光电二极管。盖革模式下,探测器一旦响应,电流成倍增大,需要加上淬灭电路。目前主动淬灭方式较为常用,但是噪声较大,电路设计复杂。优化设计了GHz的门控淬灭方式,将高频正弦信号加载在探测器两端,在正弦信号正半周期探测器处于盖革模式,负半周期淬灭探测器,同时门控信号的存在降低了电路的噪声。把主动淬灭电路和门控淬灭电路进行了研究与仿真,结果表明,正弦门控电路死时间短,噪声低,探测效率高,性能较优。设计了正弦门控电路。

一种用于自由运转SPAD的高速淬灭电路设计

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Detector,SPAD),设计了一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路。为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真,根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式,进一步建立了SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证。淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构,利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间(Hold-off Time)的灵活调节。仿真结果表明,所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2ns,关断时间调节范围为1.02~3.55μs,可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求。

一种用于单光子探测器的高速门控淬灭电路

提出了一种应用于单光子激光雷达探测器的高速门控淬灭电路,该电路结构简单,仅由3只晶体管及1个与门组成。采用门控的方式能够将雪崩电流快速淬灭,有效抑制暗计数和后脉冲,同时能规避强背底光噪声的干扰。在不增加电路功耗的前提下,通过合理选择复位管和淬灭管的宽长比及电路版图布局,所设计的淬灭电路芯片面积仅有13μm×14μm。基于0.18μm标准CMOS工艺对所设计的电路进行了流片验证,测试结果表明:该电路的淬灭和复位时间分别为1.6 ns和1.4 ns,可应用于高速、高密度单光子探测器。

盖革模式雪崩光电二极管的场效应管淬灭电路设计

雪崩光电二极管(Avalanche Photondiode,APD)是一种常用于激光探测领域的光敏元件。本文针对盖革模式雪崩光电二极管(Geiger Mode-Avalanche Photondiode,Gm-APD)工作时发生的雪崩效应,设计了一种场效应管淬灭电路(Field Effect Transistor Quenching Circuit)。首先,针对Gm-APD器件的特性建立了Gm-APD的电学模型。其次,在此模型的基础上,设计并仿真验证了场效应管淬灭电路,实现了对Gm-APD的快速淬灭。结果表明,本文设计的场效应管淬灭电路淬灭速度快、死时间短、性能较优,淬灭时间和死时间分别为21.026 ns和16.5 ns,满足激光测距成像的应用需求。

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InGaAs/InP探测器的单光子探测电路研究

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体,可以突破现有激光探测极限,是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时,存在较大的暗计数和后脉冲概率,影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响,门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间,对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案,以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试,探测电路的死时间为9.3 ns,在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10^-6/ns,后脉冲概率为3%。

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APD线列的单光子探测计数研究

单光子探测系统可以对单个光子进行探测;探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分;探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成;在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止,淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流,快速降低雪崩电压,以达到提高探测效率,降低错误计数的目的;APD线列产生多个光子脉冲信号,计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压,保证每路APD淬灭电路的正常工作。

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。

结合高分辨率TDC的单光子探测系统设计

针对时间数字转换器(time-to-digital converter,TDC)的时间分辨率和测量误差相互制约,单光子探测系统工作频率低、测量死时间长等问题,设计了一款用于荧光寿命成像的高速单光子探测系统.该系统集成了一个6×6单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)阵列和一个两级结构的TDC.其中,SPAD之间相互并联以增大感光面积;淬灭电路自动控制两条放电支路,减小测量死时间的同时降低了后脉冲效应;TDC采用两级结构同时实现了高分辨率和大动态范围,其中第2级TDC采用三通道游标结构有效降低了测量误差;存储器将时间测量结果暂存在对应的地址中,测量结束后由串口电路按地址顺序读出到上位机中处理.该系统基于TSMC 0.18μm CMOS工艺仿真验证,芯片整体面积为2800μm×1800μm.仿真结果表明:SPAD的击穿电压约为11.3 V,雪崩电流约为10-3 A,淬灭电路的死时间约为40 ns;TDC的时间分辨率为30 ps,动态范围为241 ns;整个系统在526 MHz时钟频率下对两个荧光信号进行检测,测量误差均小于10 ps.

一个高速、低DCR SPAD设计与仿真

采用有源淬灭和有源复位电路,设计一种全集成高速、低暗计数率(DCR)单光子雪崩二极管探测器(SPAD)。与被动式淬灭电路相比,该结构通过减小流过SPAD的雪崩电荷,以减少后脉冲、热激发以及二次雪崩的概率,它可在纳秒级内反馈关断雪崩并准备好下一次探测,因而具有更快的相位转换速度、更少的计数损失和更高的灵敏度,非常适用于高速、高灵敏度的光子探测领域。仿真时采用SPAD的SPICE简化模型和MATLAB增强模型,综合考虑瞬态特性和暗记数率特性。

基于单光子探测器阵列的光谱测量系统

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合,并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明:该系统不仅灵敏度高,还实现了0.006 nm的波长分辨率;与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比,该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

基于单光子雪崩二极管的激光雷达建模与仿真

基于单光子雪崩二极管(SPAD)的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案,提高研发效率,降低研发成本。因此,从系统子模块的特性出发,利用时间相关单光子计数技术(TCSPC)和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型,得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器(TDC)和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明:在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×10^(3) lx、目标反射率为10%的条件下,主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当;当目标反射率增加到50%后,主动复位电路的系统性能优于被动复位电路;类似地,多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC,主要表现在,与单事件首光子TDC相比,多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布,其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值,寻峰算法更简单,算力需求更少。仿真结果表明,为使系统性能最优化,SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。