基于盖革模式雪崩光电二极管紫外计数系统

针对工作在盖革模式下的硅基雪崩光电二极管(APD)进行了接收电路的设计,通过主动淬灭加快恢复的方式,对APD偏压进行调控,利用单稳态触发器使淬灭信号和恢复信号独立控制APD阳极的电压,从而同时控制淬灭时间和恢复时间,将死时间缩短至100.5ns,计数频率提升到10MHz,有效减少了后脉冲效应。采用脉冲甄别技术和单片机,对脉冲信号进行计数,通过对可见盲光子计数和暗计数的甄别,实现对微弱紫外信号的检测,为盖革模式下APD紫外通信奠定了基础。     

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%。     

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。     

InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

基于阵列盖革探测器的激光测距信号处理北大核心CSCD

传统激光测距中最常用的方法是采用工作在线性模式的单元APD进行光子探测,而随着探测距离增加,线性增益不满足使用需求,盖革模式APD应运而生。阵列探测盖革模式APD是具有探测单光子能级信号能力的新型探测器件,具有1×10^(6)至1×10^(7)的内增益,响应度高,但其受背景光影响较大,因此这一器件的信号处理难度极大。本文提出基于光子计数法的阵列信号处理的三种思路,均能够大幅提升信号对比度。其中多通道累加算法简单便捷、可实现性高;空间卷积池化算法具有高信号散布灵敏性;阵列拓展算法具备高信号辨识度。     

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。     

基于4元APD阵列的激光测距技术研究

提出了一种基于盖革模式(Geiger mode)下雪崩二极管(APD)阵列作为接收器件的激光测距新技术.盖革模式下的APD阵列具有单光子探测能力,能够对微弱的激光回波信号实现探测,并能够实现高精度的起始点判别,从而准确地确定激光飞行时间,最终计算出目标距离.实验结果证明相比传统的测距技术,新的测距技术可以实现低激光发射功率下的高精度,远距离测距,为激光测距技术的发展提供了一条新思路.     

基于InGaAs探测器的日光条件光子计数实验

介绍了基于InGaAs单光子探测器的日光条件测距实验,通过压缩激光接收视场、使用超窄带滤光片、结合超快主动淬灭电路等降低InGaAs单光子探测器死时间的方法,成功地进行了基于InGaAs单光子探测器的日光条件光子计数测距实验。分析实验数据,分别获取基于InGaAs探测器和Si基探测器的系统探测灵敏度、系统测距精度等参数,并进行比较。实验结果表明:经过高速主动淬灭电路优化后的InGaAs探测器,其死时间与Si基探测器的死时间相当;在背景光噪声一定的情况下,使用InGaAs探测器可以提高系统的探测灵敏度,从而增加系统的最大测程;得益于InGaAs探测器的低抖动时间,在提高系统最大测程的同时,系统的测距精度不受影响。     

InP基自由运行模式单光子APD

基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管探测器工作响应波段范围0.9~1.67 μm,在盖革模式下探测效率较高,具有单光子量级的灵敏度,通过配置不同的偏置电路,可工作在门控和自由运行模式。目前主要采用门控模式的工作方式,门控模式可应用于光子到来时间已知的量子密钥分发。在激光测距、激光雷达成像等应用中当光子到达时间是未知的条件下,器件需工作在自由运行模式下。通过内部集成或片上集成自淬灭器件,探测器本身具有自淬灭或自恢复功能,无需外部淬灭电路,可工作在自由运行模式,大大拓展了InGaAs/InP单光子探测器的应用领域,同时对制备单光子探测器阵列具有优势。另外,采用InGaAs/GaAsSbⅡ类超晶格材料作为雪崩二极管的吸收层,可将探测器的截止波长进一步扩展为2.4 μm。首先对盖革模式APD进行了介绍,在此基础上对当前发展的自由运行模式以及扩展波长的InP基单光子探测器原理和性能进行了详细的阐述。     

近红外单光子读取电路

近红外单光子读取电路读取盖革模式下的雪崩光电二极管雪崩信号。采用两个ps级的可编程ECL延时芯片,获得可调的门控脉冲,控制雪崩光电二极管（APD）死时间和淬灭雪崩信号,同时减少后脉冲的影响。详细介绍了门控脉冲产生模块、死时间控制模块以及雪崩信号提取电路。主要采用延迟鉴别、边沿锁存的方法提取雪崩光电二极管雪崩信号。在整个实验过程中,雪崩光电二极管工作温度为-55℃,脉冲宽度10 ns,门控频率1 MHz和10 MHz,激光器激光波长1 550 nm,单光子探测器是PGA-400InGaAs雪崩光电二极管。