基于CMOS工藝SPAD的單光子探測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、光在極其微弱時(shí)會(huì)離散成一個(gè)個(gè)的光子，稱為單光子。單光子信號(hào)由于強(qiáng)度微弱且粒子性顯著，常規(guī)技術(shù)難以對(duì)其檢測(cè)，被認(rèn)為是光電探測(cè)技術(shù)的極限。同時(shí)單光子信號(hào)又是一種普遍存在的信息載體，在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究以及國(guó)防軍事等各方面都有著廣泛應(yīng)用，因而近年來受到研究人員重視。
　　單光子探測(cè)技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾方面：有極高增益的單光子探測(cè)器件，控制單光子探測(cè)器件并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的快速電路，器件和電路的集成技術(shù)，大規(guī)模像元陣列的制作及拼接

2、。目前在單光子探測(cè)方面亟待解決的問題有：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)器工藝復(fù)雜、工作電壓高、價(jià)格昂貴、重復(fù)性差，外圍電路響應(yīng)速度慢、版圖面積大，對(duì)單光子探測(cè)器和相關(guān)電路的混合拼接易導(dǎo)致性能下降、噪聲變大。
　　為解決上述問題，本文在中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(NO.12120001)支持下，對(duì)單光子探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。文章選用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的帶保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的CMOS工藝兼容的雪崩光電二極管作為單光子探測(cè)器件，對(duì)雪崩光電二極管的工作原理和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了介紹

3、。用等效電路模型代替雪崩光電二極管在軟件中進(jìn)行仿真，分析比較了雪崩光電二極管的三種淬滅模式，選擇主動(dòng)淬滅電路控制雪崩光電二極管，用高速電壓比較電路作為雪崩信號(hào)甄別電路，設(shè)計(jì)了數(shù)字和模擬結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)電路。在此基礎(chǔ)上完成了單光子探測(cè)像元電路，包括雪崩光電二極管等效電路、淬滅復(fù)位電路、雪崩信號(hào)甄別電路、光子計(jì)數(shù)電路等。仿真結(jié)果顯示電路探測(cè)速度可達(dá)5ns，淬滅電路死時(shí)間約2.690ns，從光子信號(hào)進(jìn)入到計(jì)數(shù)完成整體電路傳輸延時(shí)約3.0572ns，