一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统技术方案

本发明专利技术提供的是一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统。其特征是：它由光源1、可控偏压模块2、单光子探测芯片3、信号处理及控制系统4组成，其中单光子探测芯片3由正常模式运行的单光子雪崩二极管31、暗环境下运行的单光子雪崩二极管32以及淬灭及读出电路阵列33组成。本发明专利技术可用于极微弱光的测量，可广泛用于激光雷达，DNA测序，量子密匙分配，以及医学成像等领域。

A High Precision Single Photon Detection Chip Real-time Temperature Measurement and Performance Optimization System

The invention provides a high precision real-time temperature measurement and performance optimization system for a single photon detection chip. It consists of light source 1, controllable bias module 2, single photon detection chip 3, signal processing and control system 4. The single photon detection chip 3 consists of single photon avalanche diode 31 operating in normal mode, single photon avalanche diode 32 operating in dark environment and quenching and readout circuit array 33. The invention can be used for measuring extremely weak light, and can be widely used in the fields of lidar, DNA sequencing, quantum key distribution, and medical imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统(一)
本专利技术涉及的是一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能参数优化系统，可用于激光雷达，DNA测序，量子密匙分配，以及医学成像等领域的极微弱光的测量，属于光电探测
(二)
技术介绍
单光子探测技术是一种极弱光探测技术，原理是利用光电效应，对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱信号的探测。它是极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像的核心。传统上，单光子探测系统普遍使用光电倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)或者微通道板(Microchannelplate,MCP)来作为探测器件,这些器件的缺陷主要在于价格昂贵,体积大(需要相对大体积的真空腔体来运行)，需要较高偏置电压，对于磁场敏感，并且难以与电子电路集成。近年来，单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)有了很大的发展，相比传统的PMT和MCP，SPAD运行于更低的偏置电压下，有着更小的体积，更低的功耗，对于电磁噪声不敏感，且更加易于与电子电路集成。这使得SPAD逐渐取代PMT,MCP，被广泛应用于单光子探测系统。单光子雪崩二极管的外部参数中，偏置电压和死时间的控制对于基于单光子雪崩二极管的单光子探测器的性能有关键影响，死时间是指在单光子雪崩二极管探测到一个光信号后探测器进入非使能状态且无法探测光子的这段时间，此时单光子探测器是不会产生任何探测计数的。在经过一段死时间后，此时单光子探测器又进入正常工作状态。在单光子探测过程中，一方面需要足够长的死时间来有效减少后脉冲，另一方面死时间不能太长，否则会严重影响探测器的计数数率，降低动态范围。因此，对死时间的调节存在性能和噪声上的妥协，其需要被精确控制。偏置电压对于单光子雪崩二极管的性能参数，如暗计数率(DCR)，光子探测效率(PDE)等运行有着重要的影响。高电压偏置下，单光子雪崩二极管能得到更好的PDE，但是DCR和后脉冲会增加，因此，对于不用的单光子雪崩二极管及其应用，偏置电压需要合理设置。在实际应用中，单光子探测系统会受到外界环境的影响，如背景光强以及温度。其中，温度对于SPAD的相关参数，如暗计数率，击穿电压，后脉冲有直接影响。高温可以使SPAD有着更高的探测效率和更低的后脉冲(所需的死时间降低，能得到更大的最大光子计数率，获得更大的探测器动态范围)，但是同时暗计数率会增加，信噪比降低，反之亦然。因此，根据精确的单光子探测芯片温度的监测，设置合理的偏置电压以及死时间，可使其达到探测效率，动态范围以及信噪比的最优选择，以优化单光子探测系统的整体性能及其稳定性以应对复杂的外部运行环境。为了优化单光子探测系统的外部参数以提高探测器或系统的性能和稳定性，张军等公开了一种近红外单光子雪崩光电二极管的参数优化方法及平台(中国专利申请号：201610670222.3)，通过获取输入的近红外单光子雪崩光电二极管的在预定工作温度下的结构参数，进行相关计算，以实现单光子雪崩光电二极管结构参数和工作条件的全局优化。此外，富饶等于2016年公开了一种单光子探测器的参数优化设置方法(中国专利申请号：201610694274.4)，该方法先初始化设定各个参数(如偏置电压，门脉冲宽度、幅度以及工作温度)的初始值，对相关探测数据进行采集，然后对所述参数进行逐个优化以实现整体探测器性能的提升。上述参数优化方法中存在的问题在于无法对探测芯片的温度进行精确测量。当系统对入射光进行测量时，探测芯片由于受到入射光照射以及内部光电转换的影响，温度会上升，这样会造成系统中探测芯片和芯片之外的温度不同，而现有的参数优化方法中，对温度的监控为芯片外温度测量，这样会导致对探测芯片的温度测量误差，进而导致对整体系统参数优化的误差。本专利技术公开了一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统，可用于激光雷达，DNA测序，量子密匙分配，以及医学成像等领域的极微弱光的测量。本专利技术提出在单光子探测芯片中，将一个或者多个SPAD的感光部分用金属层覆盖，使其在暗环境下运行，只提供暗计数。暗环境下运行的SPAD与阵列中其他的SPAD在同一块芯片上，相同他们由于结构，大小以及运行参数相同，理论上会有着相同的暗计数率。通过计算暗环境下运行的SPAD的暗计数率，结合偏置电压，暗环境下的SPAD的温度可以被检测，其所在芯片的温度也可被精确测量。由于温度对于SPAD的相关参数，如暗计数率，击穿电压，后脉冲有直接影响，精确的探测器芯片温度的监测使得结合探测到的温度，通过反馈控制，调节SPAD的偏压以及死时间来实现SPAD系统的最优运行成为可能。SPAD系统外部参数的智能优化将大幅提升基于SPAD的单光子探测器的稳定性，特别是当其被用于外部环境多变的成像系统时，如地表测量学，地质学，地貌学，林业，大气物理学以及驾驶辅助系统和无人驾驶车辆的应用。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统。本专利技术的目的是这样实现的：该系统由光源1、可控偏压模块2、单光子探测芯片3、信号处理及控制系统4组成，其中单光子探测芯片3由正常模式运行的单光子雪崩二极管31、暗环境下运行的单光子雪崩二极管32以及淬灭及读出电路阵列33组成。所述系统中光源1发出的光入射至单光子探测芯片3，单光子探测芯片3中的正常模式运行的单光子雪崩二极管31输出包括噪声激发和光子激发在内的雪崩事件电脉冲，并通过淬灭及读出电路阵列33转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号输出至信号处理及控制系统4，单光子探测芯片3中暗环境下运行的单光子雪崩二极管32只输出噪声激发的雪崩事件电脉冲(暗计数)并通过淬灭及读出电路阵列33转换为TTL信号输出至信号处理及控制系统4，信号处理及控制系统4一方面对单光子探测芯片3输出的TTL信号进行光子计数率计算以及降噪计算和处理，给出探测结果；另一方面，根据暗环境下运行的单光子雪崩二极管32输出的暗计数率以及可控偏压模块2输出的偏置电压计算出单光子探测芯片3的实时温度，根据此温度通过淬灭及读出电路阵列33和可控偏压模块2对单光子探测芯片3的偏置电压以及死时间进行优化调整。所述系统中的光源1可以是荧光探测系统中的荧光激发光信号，光时域反射系统中的瑞丽反射光信号，通信系统中的通信信号，光纤传感器系统中的干涉信号以及表面等离子共振探测系统的反射信号等各种光信号的一种。所述系统中的单光子探测阵列芯片3可以是基于标准集成电路工艺(如标准互补金属氧化物半导体工艺，双极型互补金属氧化物半导体工艺，以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺)的探测芯片或者是用户定制的工艺(customerprocess)的基于硅(Silicon)，锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的探测芯片的任何一种。所述系统中的可控偏压模块2可以是输出可控的DC-DC转换电路或者是AC-DC转换电路的任何一种。所述单光子探测芯片3中的正常模式运行的单光子雪崩二极管31以及暗环境下运行的单光子雪崩二极管32结构相同、大小相同，处于同一块芯片上，并且在同样的偏置电压下工作。暗环境下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统。其特征是：它由光源1、可控偏压模块2、单光子探测芯片3、信号处理及控制系统4组成，其中单光子探测芯片3由正常模式运行的单光子雪崩二极管31、暗环境下运行的单光子雪崩二极管32以及淬灭及读出电路阵列33组成。所述系统中光源1发出的光入射至单光子探测芯片3，单光子探测芯片3中的正常模式运行的单光子雪崩二极管31输出包括噪声激发和光子激发在内的雪崩事件电脉冲，并通过淬灭及读出电路阵列33转换为标准晶体管‑晶体管逻辑电平(TTL)信号输出至信号处理及控制系统4，单光子探测芯片3中暗环境下运行的单光子雪崩二极管32只输出噪声激发的雪崩事件电脉冲(暗计数)并通过淬灭及读出电路阵列33转换为TTL信号输出至信号处理及控制系统4，信号处理及控制系统4一方面对单光子探测芯片3输出的TTL信号进行光子计数率计算以及降噪计算和处理，给出探测结果；另一方面，根据暗环境下运行的单光子雪崩二极管32输出的暗计数率以及可控偏压模块2输出的偏置电压计算出单光子探测芯片3的实时温度，根据此温度通过淬灭及读出电路阵列33和可控偏压模块2对单光子探测芯片3的偏置电压以及死时间进行优化调整。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统。其特征是：它由光源1、可控偏压模块2、单光子探测芯片3、信号处理及控制系统4组成，其中单光子探测芯片3由正常模式运行的单光子雪崩二极管31、暗环境下运行的单光子雪崩二极管32以及淬灭及读出电路阵列33组成。所述系统中光源1发出的光入射至单光子探测芯片3，单光子探测芯片3中的正常模式运行的单光子雪崩二极管31输出包括噪声激发和光子激发在内的雪崩事件电脉冲，并通过淬灭及读出电路阵列33转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号输出至信号处理及控制系统4，单光子探测芯片3中暗环境下运行的单光子雪崩二极管32只输出噪声激发的雪崩事件电脉冲(暗计数)并通过淬灭及读出电路阵列33转换为TTL信号输出至信号处理及控制系统4，信号处理及控制系统4一方面对单光子探测芯片3输出的TTL信号进行光子计数率计算以及降噪计算和处理，给出探测结果；另一方面，根据暗环境下运行的单光子雪崩二极管32输出的暗计数率以及可控偏压模块2输出的偏置电压计算出单光子探测芯片3的实时温度，根据此温度通过淬灭及读出电路阵列33和可控偏压模块2对单光子探测芯片3的偏置电压以及死时间进行优化调整。2.根据权利要求1所述的光源1，其特征是：所述系统中的光源1可以是荧光探测系统中的荧光激发光信号，光时域反射系统中的瑞丽反射光信号，通信系统中的通信信号，光纤传感器系统中的干涉信号以及表面等离子共振探测系统的反射信号等各种光信号的一种。3.根据权利要求1所述的单光子探测芯片3，其特征是：单光子探测芯片3可以是基于标准集成电路工艺(如标准互补金属氧化物半导体工艺，双极型互补金属氧化物半导体工艺，以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺)的探测芯片或者是用户定制的工艺(customerprocess)的基于硅(Silicon)，锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的单光子探测芯片的任何一种。单光子探测芯片3中的单光子雪崩二极管31以及暗环境下运行的单光子雪崩二极管32结构相同、大小相同，处于同一块芯片上，并且在同样的偏置电压下工作。暗环境下...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓仕杰，滕传新，刘厚权，张文涛，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45