本文選題：單光子探測 + 雪崩光電二極管　； 參考：《重慶大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：光在極其微弱時會離散成一個個的光子,稱為單光子。單光子信號由于強度微弱且粒子性顯著,常規(guī)技術(shù)難以對其檢測,被認為是光電探測技術(shù)的極限。同時單光子信號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器件,控制單光子探測器件并對信號進行處理的快速電路,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。目前在單光子探測方面亟待解決的問題有:單光子探測器工藝復(fù)雜、工作電壓高、價格昂貴、重復(fù)性差,外圍電路響應(yīng)速度慢、版圖面積大,對單光子探測器和相關(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,本文在中央高校基本業(yè)務(wù)費資助項目(NO.12120001)支持下,對單光子探測技術(shù)進行了研究。文章選用實驗室設(shè)計的帶保護環(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器件,對雪崩光電二極管的工作原理和相關(guān)參數(shù)進行了介紹。用等效電路模型代替雪崩光電二極管在軟件中進行仿真,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甄別電路,設(shè)計了數(shù)字和模擬結(jié)構(gòu)的計數(shù)電路。在此基礎(chǔ)上完成了單光子探測像元電路,包括雪崩光電二極管等效電路、淬滅復(fù)位電路、雪崩信號甄別電路、光子計數(shù)電路等。仿真結(jié)果顯示電路探測速度可達5ns,淬滅電路死時間約2.690ns,從光子信號進入到計數(shù)完成整體電路傳輸延時約3.0572ns,計數(shù)電路在線性模式下的計數(shù)容量為55。此外,還對時間相關(guān)單光子計數(shù)的原理和基本電路結(jié)構(gòu)進行介紹,用高速電壓比較電路進行光子到達定時,闡述幾種時間數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù),設(shè)計了基于S-R鎖存器的時間放大電路和基于電流偏置比例的時間放大電路。
[Abstract]:When light is extremely weak, it will be dispersed into one photon, called a single photon. Single photon signal is regarded as the limit of photoelectric detection technology because of its weak intensity and remarkable particle property, which makes it difficult to detect it by conventional technology. At the same time, single photon signal is a common information carrier, which has been widely used in daily life, industrial production, scientific research, national defense and military and so on, so it has been paid attention to by researchers in recent years. The single photon detection technology is mainly embodied in the following aspects: single photon detector with extremely high gain, fast circuit for controlling single photon detector and processing of signal, integrated technology of device and circuit, Fabrication and splicing of large-scale pixel arrays. At present, the problems that need to be solved urgently in the field of single photon detection are: the process of single photon detector is complex, the working voltage is high, the price is expensive, the repeatability is poor, the response speed of peripheral circuit is slow, and the layout area is large. The mixed splicing of single photon detectors and related circuits can lead to the deterioration of performance and the increase of noise. In order to solve the above problems, the single photon detection technology is studied under the support of the project of basic operating expenses of the Central University (no. 12120001). In this paper, an avalanche photodiode with protective ring structure and compatible avalanche photodiode designed in laboratory is used as a single photon detector. The working principle and related parameters of the avalanche photodiode are introduced. Three quenching modes of avalanche photodiodes are analyzed and compared by using equivalent circuit model instead of avalanche photodiodes. The active quenching circuit is chosen to control the avalanche photodiodes. The high speed voltage comparison circuit is used as an avalanche signal discrimination circuit, and the counting circuit of digital and analog structures is designed. On this basis, a single photon detection pixel circuit is completed, including avalanche photodiode equivalent circuit, quenching reset circuit, avalanche signal discrimination circuit, photon counting circuit and so on. The simulation results show that the detection speed of the circuit can reach 5ns, the dead time of quenched circuit is about 2.690ns, the transmission delay of the whole circuit is about 3.0572ns from the photon signal entering into the counting circuit, and the counting capacity of the counting circuit is 55 in linear mode. In addition, the principle and basic circuit structure of time-dependent single-photon counting are introduced, and several time-digital conversion techniques are described by using high-speed voltage comparison circuit to carry out photon arrival timing. A time amplifier circuit based on S-R latch and a time amplifier circuit based on current bias ratio are designed.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN409;TN312.7

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本文編號：1847552