一种单光子探测器芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种单光子探测器芯片，用于与多脉冲激光器配合实现对单个光子的探测，单光子探测器芯片包括由若干个单光子探测单元组成的单光子探测单元阵列和偏置模块，单光子探测单元阵列和偏置模块集成在单片内，偏置模块与单光子探测单元阵列相连，单光子探测单元设有一次筛选电路和二次筛选电路，二次筛选电路的输入端与一次筛选电路的输出端相连，多脉冲激光器发射多脉冲的激光脉冲串，一次筛选电路对多器件接收的脉冲进行一次比较筛选，二次筛选电路采用延时电路对一次筛选电路输出的脉冲进行多路延时，并对多路延时脉冲进行二次比较筛选，提取有效脉冲。与现有技术相比，本发明专利技术具有高性能探测能力、输出功耗低、工作帧频高等优点。等优点。等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子探测器芯片


[0001]本专利技术涉及光探测
，尤其是涉及一种单光子探测器芯片。

技术介绍

[0002]单光子探测器可对单个光子进行探测，通过测量激光发射脉冲和探测器接收脉冲之间的时间差，可以得到目标的距离。单光子探测器芯片通常包含有单光子像素阵列等，可以直接获得目标的三维图像。单光子像素内主要有单光子探测器件、淬灭电路和时间数字转换模块组成。激光器发射激光脉冲后，单光子器件工作在盖格模式，当接收到目标反射回来得光子后，触发器件进入盖格雪崩，淬灭电路感知到器件输出的瞬态雪崩电流后，迅速调节单光子器件的偏压，让单光子器件退出雪崩状态，同时淬灭电路输出一个脉冲，代表单光子器件发生了一次雪崩。在激光器发射激光的同时，时间数字转换模块开始工作，当淬灭电路的脉冲进入时间数字转换模块后，时间数字转换模块停止计时，所记录的数据即是光子的往返时间信息。单光子探测器芯片通过行选电路、列选电路将像素阵列内每个像素内存储的时间数据依次串行输出到芯片外。
[0003]在实际场景中，单光子探测器芯片所接收的不仅是激光器发射的信号脉冲，还包括大量的背景光干扰脉冲或者噪声脉冲。在恶劣环境下，可能探测100次甚至更多次才能接收到1次信号脉冲，在这种极低的信噪比下，数据的直接成像质量极差。通常对单光子探测器芯片的数据进行重复采样，采样成百上千甚至更多次，对每个像元的数据进行统计分布。背景光干扰脉冲或者噪声脉冲是无规律随机产生，信号脉冲是固定时刻产生的，因此，对触发脉冲沿着时间维度进行统计后，信号脉冲会聚集在某一个时刻，形成一个信号峰，而干扰脉冲会随机分布在整个探测时间区间，据此可以提取出信号脉冲。
[0004]高数量样本的采集和统计分析会给激光雷达的硬件设计带来巨大的挑战。以320
×
256单光子探测器阵列为例，如果要实现30帧/秒的帧频，时间数据精度为12bit，采样1000次提取一次有效样本，那么数据率高达320
×
256
×
30
×
12
×
1000＝29.5Gb/s，这将要求极高的传输速率和传输接口数量，消耗极大的传输功耗。为了减小传输数据的压力，一种方案是采用在芯片内设计存储器，将采集的样本数据暂存在芯片内，直接在芯片内对各个像素的数据进行统计分析，找出信号的时间数据后再输出，这样可以将输出数据率减小1000倍，变为29.5Mb/s。这种方案虽然减小了数据传输的压力，但是大幅度增加了片上存储的空间，即使按照100次采样存储，也需要368MB的空间，这在芯片设计上无法实现，因此，该方案仍然只适用于小阵列、低速的场合。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能探测能力、输出功耗低、工作帧频高的单光子探测器芯片。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种单光子探测器芯片，用于与多脉冲激光器配合实现对单个光子的探测，所述
的单光子探测器芯片包括由若干个单光子探测单元组成的单光子探测单元阵列和偏置模块；所述的单光子探测单元阵列和偏置模块集成在单片内；所述的偏置模块与单光子探测单元阵列相连；所述的单光子探测单元设有一次筛选电路和二次筛选电路；所述的二次筛选电路的输入端与一次筛选电路的输出端相连；所述的多脉冲激光器发射多脉冲的激光脉冲串，一次筛选电路对多器件接收到的脉冲进行一次比较筛选，二次筛选电路采用延时电路对一次筛选电路输出的脉冲进行多路延时，并对多路延时脉冲进行二次比较筛选，提取有效脉冲。
[0008]优选地，所述的单光子探测单元还包括单光子探测器件、淬灭电路、时间数字转换模块和三态门；所述的单光子探测器件的一端与偏置模块相连，另一端与淬灭电路的输入端相连；所述的淬灭电路的输出端与一次筛选电路相连；所述的二次筛选电路的输出端与时间数字转换模块的输入端相连；所述的时间数字转换模块的输出端与三态门相连。
[0009]更加优选地，所述的单光子探测器件和淬灭电路的数量均为若干个，每个单光子探测器件分别连接一个淬灭电路，每个淬灭电路分别接入一次筛选电路，形成多器件脉冲。
[0010]更加优选地，所述的单光子探测器件为单光子雪崩二极管SPAD。
[0011]更加优选地，所述的一次筛选电路包括第一比较器和第一时间窗口电路；所述的淬灭电路的输出端分别接入第一比较器的正输入端以及第一时间窗口电路的输入端；所述的第一时间窗口电路的输出端接入第一比较器的使能开关控制端；所述的第一比较器的负输入端输入预设的一次筛选阈值；所述的第一比较器的输出端接入二次筛选电路。
[0012]更加优选地，所述的二次筛选电路包括脉冲延时模块、第二比较器和第二时间窗口电路；所述的一次筛选电路的输出端分别接入第二时间窗口电路的输入端、第二比较器的正输入端以及脉冲延时模块的输入端；所述的脉冲延时模块输出端分别接入第二比较器的正输入端以及脉冲延时模块的输入端；所述的第二时间窗口电路的输出端接入第二比较器的使能开关控制端；所述的第二比较器的负输入端输入预设的二次筛选阈值；所述的第二比较器的输出端接入时间数字转换模块的输入端。
[0013]更加优选地，所述的脉冲延时模块的数量为若干个，一次筛选电路的输出端分别接入若干个脉冲延时模块的输入端，若干个脉冲延时模块的输出端分别接入第二时间窗口电路的输入端以及第二比较器的正输入端，形成多路延时脉冲。
[0014]更加优选地，所述的多脉冲激光器发射的多脉冲脉冲串中后续脉冲与第一脉冲的延时分别为T1、T2、T3、
……
、T
n
，其中n为脉冲串的数量；所述的脉冲延时模块的延时时间分别为T1、T2、T3、
……
、T
m
，其中m为脉冲延时模块的数量。
[0015]更加优选地，所述的单光子探测器芯片设有数据输出模块，该模块集成在单片内；所述的数据输出模块与单光子探测单元阵列相连。
[0016]更加优选地，所述的数据输出模块包括行选模块、并行输入串行输出模块PISO和列选模块；所述的单光子探测单元阵列中每个单光子探测单元的三态门的使能端分别接入行选模块的输出端相连，三态门的输出端分别接入并行输入串行输出模块PISO的输入端；所述的列选模块一端与并行输入串行输出模块PISO相连，另一端接入数据输出总线。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]本专利技术中的单光子探测器芯片利用信号激光的空间相关性，对单元内多个单光子探测器件的输出脉冲进行分析比较，剔除无关的干扰脉冲，然后利用激光器发射的多脉冲
之间的时间相关性，采用延时电路对前述脉冲生成多路延时，对多路延时电路进行分析比较，进一步抑制无关的干扰脉冲，因此相比传统的全输出方案，减小了大量无效数据的存储、传输和处理，从而极大的提高了工作帧频、减小了输出功耗、避免了海量的片上存储空间。在单光子探测单元内实现了光电探测、触发脉冲生成、空间一致性检测、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测器芯片，用于与多脉冲激光器(3)配合实现对单个光子的探测，其特征在于，所述的单光子探测器芯片包括由若干个单光子探测单元(1)组成的单光子探测单元阵列和偏置模块(2)；所述的单光子探测单元阵列和偏置模块(2)集成在单片内；所述的偏置模块(2)与单光子探测单元阵列相连；所述的单光子探测单元(1)设有一次筛选电路和二次筛选电路；所述的二次筛选电路的输入端与一次筛选电路的输出端相连；所述的多脉冲激光器(3)发射多脉冲的激光脉冲串，一次筛选电路对多器件接收的脉冲进行一次比较筛选，二次筛选电路采用延时电路对一次筛选电路输出的脉冲进行多路延时，并对多路延时脉冲进行二次比较筛选，提取有效脉冲。2.根据权利要求1所述的一种单光子探测器芯片，其特征在于，所述的单光子探测单元(1)还包括单光子探测器件(101)、淬灭电路(102)、时间数字转换模块(103)和三态门(104)；所述的单光子探测器件(101)的一端与偏置模块(2)相连，另一端与淬灭电路(102)的输入端相连；所述的淬灭电路(102)的输出端与一次筛选电路相连；所述的二次筛选电路的输出端与时间数字转换模块(103)的输入端相连；所述的时间数字转换模块(103)的输出端与三态门(104)相连。3.根据权利要求2所述的一种单光子探测器芯片，其特征在于，所述的单光子探测器件(101)和淬灭电路(102)的数量均为若干个，每个单光子探测器件(101)分别连接一个淬灭电路(101)，每个淬灭电路(101)分别接入一次筛选电路，形成多器件脉冲。4.根据权利要求2所述的一种单光子探测器芯片，其特征在于，所述的单光子探测器件(101)为单光子雪崩二极管SPAD。5.根据权利要求2所述的一种单光子探测器芯片，其特征在于，所述的一次筛选电路包括第一比较器(105)和第一时间窗口电路(106)；所述的淬灭电路(102)的输出端分别接入第一比较器(105)的正输入端以及第一时间窗口电路(106)的输入端；所述的第一时间窗口电路(106)的输出端接入第一比较器(105)的使能开关控制端；所述的第一比较器(105)的负输入端输入预设的一次筛选阈值；所述的第一比较器(105)的输出端接入二次筛选电路。6.根据权利要求2所述的一种单光子探测器芯片，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄张成，刘琦，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：