本文關(guān)鍵詞：近紅外單光子集成化探測電路研究　出處：《中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：單光子探測是一種極弱光探測技術(shù),在量子信息,生物極弱光成像,空間激光通信,激光雷達(dá),天文觀測,低可視目標(biāo)探測等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景,是各國爭相發(fā)展的前沿技術(shù)。尤其是近紅外波段在光纖通信中具有兩個低損耗窗口、具有人眼安全性、并且適合夜晚環(huán)境、大氣衰減小等特點,更加受到了廣泛關(guān)注。在可見光波段,硅材料的光電雪崩二極管是理想的單光子探測器件；而在近紅外波段,InGaAs/InP光電雪崩二極管具有很大的優(yōu)勢。不同于傳統(tǒng)的線性工作模式,單光子探測的光電雪崩二極管偏置于擊穿電壓之上,稱為蓋革模式,這時光電雪崩二極管具有無限大的增益,即使一個光子也可以觸發(fā)自持續(xù)的雪崩,產(chǎn)生可觀測的電信號。雖然蓋革模式光電雪崩二極管可以探測到單個光子,但是也帶來一系列諸如暗計數(shù)、后脈沖等問題。而且如果要實現(xiàn)單光子成像,就需要對近紅外光電雪崩二極管陣列信號進(jìn)行處理。所以,設(shè)計與實驗室研制的InGaAs/InP光電雪崩二極管匹配的集成化探測電路成為關(guān)鍵問題。本文的主要內(nèi)容是與實驗室研制的InGaAs/InP光電雪崩二極管匹配的集成化探測電路的研究,主要創(chuàng)新點包括以下幾個方面：(1)提出兩種高速單光子探測電路采用傳統(tǒng)的外部邏輯門控電路只能達(dá)到20 MHz左右的門控頻率,且門寬很難做到很窄的程度。針對這些問題,基于FPGA低成本靈活可配置的特點和高速ECL比較器,本文設(shè)計了一個基于FPGA的窄門控模式的100MHz近紅外單光子探測器,具有小型化、易調(diào)節(jié)的特點。同時該系統(tǒng)對于測試單光子雪崩二極管的性能起到了很大的作用。為了能夠提取弱的雪崩信號,并且借鑒互差分電路的優(yōu)越性,本文提出了基于集成雙SPAD的雙平衡差分高速電路結(jié)構(gòu),有效SPAD的輸出信號先和平衡支路的遮光SPAD輸出信號相減,再和移相衰減的正弦驅(qū)動信號相減,這樣能夠有效的鑒別出微弱的雪崩信號,實現(xiàn)了400 MHz的高速門控探測。這兩種高速門控電路為單光子探測器的高速化應(yīng)用提供了簡單可靠的方法,為高速集成化設(shè)計提供了思路。(2)與實驗室InGaAs/InP SPAD匹配的兩種淬滅電路由于InGaAs材料的帶隙寬度小,熱噪聲造成的暗計數(shù)大,所以InGaAs/InP SPAD一般工作在門控模式下。但是在很多應(yīng)用中,比如激光雷達(dá),光子是隨機(jī)到來的,不與門控信號同步,所以InGaAs/InP SPAD也有工作在自由運行模式的需求。本文設(shè)計了主動反饋淬滅主動復(fù)原集成讀取電路來快速地對雪崩信號進(jìn)行淬滅,并且快速地恢復(fù)。這樣可以很大程度減小流過器件的雪崩電流,從而減小載流子滯留造成的后脈沖現(xiàn)象。分析了光電雪崩二極管發(fā)生雪崩的過程,發(fā)現(xiàn)被動淬滅的過程是很快的,而被動恢復(fù)過程卻很慢。所以利用這個特點,本文結(jié)合被動淬滅和變電阻淬滅方式,設(shè)計了混合被動變電阻淬滅主動復(fù)原集成讀取電路,發(fā)現(xiàn)在這種電路中的淬滅雖然較慢,但是過沖現(xiàn)象大大減小。這兩種淬滅電路與本實驗室的InGaAs/InP SPAD的電子學(xué)特性匹配良好,能夠配合其完成感測、淬滅、死區(qū)時間控制、復(fù)原、計數(shù)等一系列動作。(3)多光子探測電路和陣列集成電路蓋革模式的光電雪崩二極管只能探測到的光子的有和無,沒有辦法對光子數(shù)進(jìn)行分辨。本文提出了一種多光子探測器,基于單個像素的淬滅電路設(shè)計了具有15個光子分辨能力的多光子探測電路,它將光電雪崩二極管前端淬滅電路的輸出脈沖進(jìn)行疊加,從而輸出一個和光子數(shù)成正比的電壓脈沖,可以與激光測距產(chǎn)品直接匹配。陣列讀出是實現(xiàn)單光子成像器件的關(guān)鍵,本文對陣列讀出的關(guān)鍵問題：陣列集成和總線讀出進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計。本文實現(xiàn)了1×8的線陣和8×8的面陣,像素之間一致性高。對8×8的陣列采用的是全并行的集成方法,像素數(shù)據(jù)順序讀出,并通過UART串行總線將數(shù)據(jù)上傳,為更大規(guī)模的陣列集成奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Single photon detection is a kind of very weak light detection technology . It has great application prospect in the fields of quantum information , bio - polar weak light imaging , space laser communication , laser radar , astronomical observation and low visual target detection . This paper presents a kind of multi - photon detector , which can be used in many applications , such as laser radar , photon is random arrival and not synchronous with gating signal .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN215
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本文編號：1402626