单光子雪崩光电二极管的降噪系统设计研究

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单光子雪崩光电二极管(SPAD)凭借其极高的增益可以探测光子量级的极微弱光,被广泛的应用在激光测距、激光雷达、量子密钥分配、医疗影像和荧光寿命探测等领域。SPAD的噪声主要分为暗计数和后脉冲,暗计数呈随机分布,而后脉冲是前脉冲引起并且与前脉冲在时域上存在关联。高的暗计数和后脉冲会限制基于SPAD的单光子探测系统的信噪比和探测灵敏度,增加系统的误码率。为了抑制后脉冲效应,本文基于后脉冲的特性设计了一个SPAD的实时后脉冲校正系统,该系统结构简单且适合任何结构和工作电压的SPAD。系统由被动淬灭读出电路和后脉冲校正电路构成,SPAD输出雪崩事件经过被动淬灭读出电路输出至后脉冲校正电路。后脉冲校正电路中设置一个时间间隔阈值来判断是否发生后脉冲效应,当两个相邻的雪崩脉冲之间的时间间隔大于设置的时间间隔阈值,后脉冲校正模块会将两个雪崩脉冲合并为一个脉冲来抑制后脉冲效应。实验结果表明后脉冲校正系统可以将一个工作电压在26V的planar SPAD的后脉冲概率从4.0%降低至0.5%以下,另一个工作电压在126V的商用reach-through SPAD经过后脉冲校正后,后脉冲概率从3.84%降低至0.4%以下。基于金属层遮盖的SPAD的降噪系统是一个基于0.18μm CMOS工艺的SAPD阵列片上系统,阵列中选择特定的SPAD使用金属层遮盖使其只输出暗计数,金属遮盖的SPAD的输出可以用来降低阵列中其他SPAD输出的暗计数,此外通过分析金属遮盖SPAD的输出可以实时监控阵列中其他SPAD的击穿电压和温度。实验结果表明所设计SPAD的击穿电压为13V,可以探测450nm~850nm范围的可见光,在3V的过电压(超过击穿电压的部分)下光子探测概率和时间抖动分别可达35%和176ps。在1V和3V的过电压下且没有暗计数率修正的情况下,SPAD的暗计数率分别为1.38counts/s·μm~2和14.62 counts/s·μm~2。经过暗计数率修正后将近90%的暗计数率被消除,此时在3V的过电压下SPAD的暗计数率为1.68 counts/s·μm~2。通过监控金属遮盖SPAD的暗计数率可以获得同一阵列中其他SPAD的击穿电压和温度。此外,本文还分析了SPAD的后脉冲效应、阵列中SPAD之间的串扰和制备工艺对SPAD性能影响。
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