一種近紅外多光子探測器的製造方法
2023-04-28 05:48:51
一種近紅外多光子探測器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種近紅外多光子探測器，包括：光電雪崩二極體陣列、讀出晶片；其中，所述光電雪崩二極體陣列包括成陣列排布的多個單元，每一單元包括一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體；所述光電雪崩二極體陣列中的各個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體通過In柱與所述讀出晶片連接。
【專利說明】一種近紅外多光子探測器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光子探測器，特別涉及一種近紅外多光子探測器。
【背景技術】
[0002]單光子探測器(Single Photon Detector)由於其具有極弱光的探測性能,在航天、雷射雷達、量子信息、生物醫學等領域有廣泛的應用前景。光電雪崩二極體(AvalanchePhoton D1de，簡稱APD)是一種典型的單光子探測器，Si材料的光電雪崩二極體在可見光波段的應用得到很大程度的研究開發，而在近紅外波段，InGaAs/InP材料的APD更受到大家的青睞。由於1310nm波段和1550nm波段是光纖的兩個低損耗窗口，和這些波段的人眼安全性，使得InGaAs/InP的ATO在量子保密通信、雷射測距和雷射雷達等領域受到了特別的關注。
[0003]當InGaAs/InP材料的APD兩端的偏置電壓高於擊穿電壓時，其工作於蓋革模式下，在這種情況下當一個光子被吸收時，就會在APD內部觸發雪崩，產生一個可探測的電流信號。諸如InGaAs/InP材料APD的單分子探測器只能分辨單個光子，當一次有多個光子到來時，也會被當作單個光子來計數，即沒有多光子分辨的能力。
[0004]在現有技術中也存在適用於近紅外波段的多光子探測器，如分離放大光電二極體(DAPD)，它採用在倍增層分別進行倍增的方法進行各自放大，然後將電流一起導出來，電流的大小和光子數成正比。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種與現有的近紅外多光子探測器在結構上並不相同的新型近紅外多光子探測器。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了一種近紅外多光子探測器，包括:光電雪崩二極體陣列、讀出晶片；其中，所述光電雪崩二極體陣列包括成陣列排布的多個單元，每一單元包括一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體；所述光電雪崩二極體陣列中的各個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體通過In柱與所述讀出晶片連接。
[0007]上述技術方案中，所述讀出晶片包括:檢測電路、脈衝疊加電路；其中，所述檢測電路有多個，每一個檢測電路對應一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體,所述檢測電路用於對所對應的光電雪崩二極體單元進行淬滅和復原，且所述InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體每收到一個光子，所述檢測電路輸出一個脈衝；所述脈衝疊加電路將各個檢測電路所輸出的脈衝疊加，最終輸出一個幅值和光子數成比例的脈衝。
[0008]上述技術方案中，所述檢測電路包括:驅動管、比較器、用於產生淬滅脈衝的第一單穩態觸發器以及用於產生復原脈衝的第二單穩態觸發器；其中，晶片管腳PAD通過In柱與一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體相連，該PAD的輸出端連接到一比較器的輸入端，該比較器的另一輸入端則輸入作為比較器鑑別電壓的REF信號；所述比較器的輸出端連接到所述第一單穩態觸發器上，該第一單穩態觸發器分別與一驅動管、第二單穩態觸發器、作為門控信號的GATE信號輸入端相連；所述第二單穩態觸發器與另一驅動管連接。
[0009]上述技術方案中，當GATE信號為低時，所述第一單穩態觸發器發出淬滅脈衝，使得整個檢測電路一直處於淬滅狀態，當GATE信號為高時，每個光子觸發APD雪崩，第一單穩態觸發器發出淬滅脈衝，隔一段時間第二單穩態觸發器發出復原脈衝，這一過程交替進行，整個檢測電路正常工作。
[0010]上述技術方案中，檢測電路在正常工作時，PAD採集到所對應的InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體所釋放的電流後，向比較器輸出一電壓，該電壓與作為比較器鑑別電壓的REF信號進行比較，若輸出電壓高於該電壓，則識別為一個光子；當識別出一個光子後，所述第一單穩態觸發器向外部輸出一個脈衝PULSE。
[0011]上述技術方案中，所述脈衝疊加電路包括多條並聯電路，每一併聯電路上至少包括有一開關Pn，所述脈衝疊加電路還包括一電阻，該電阻與這些並聯電路串聯；所述脈衝疊加電路中的各個開關受所對應的檢測電路所輸出的脈衝PULSE控制，若脈衝PULSE的值為1，則開關導通，該並聯電路中的電流源向外傳輸電流。
[0012]本發明的優點在於:
[0013]本發明的近紅外多光子探測器能夠實現對多光子的探測，且各個探測單元相互獨立，不會互相影響，魯棒性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的近紅外多光子探測器的結構示意圖；
[0015]圖2是本發明的近紅外多光子探測器的工作原理圖；
[0016]圖3是本發明的近紅外多光子探測器中的讀出晶片的一種電路實現方式；
[0017]圖4是讀出晶片中的脈衝疊加電路的電路圖；
[0018]圖5是本發明的近紅外多光子探測器中的讀出晶片的另一種電路實現方式。
【具體實施方式】
[0019]現結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0020]參考圖1，本發明的近紅外多光子探測器包括:光電雪崩二極體陣列、讀出晶片；其中，所述光電雪崩二極體陣列包括多個單元，每一單元包括一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體，這些InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體成陣列排布；所述光電雪崩二極體陣列中的各個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體通過In柱與所述讀出晶片連接。
[0021]圖2為本發明的近紅外多光子探測器的工作原理圖，圖中的上半部分中的田字形四邊形表示由四個光電雪崩二極體組成的陣列，箭頭表示有光入射。圖中的Pc^PpPyP3S對應光電雪崩二極體的讀出晶片中的對應每個光電雪崩二極體單元的檢測電路輸出的脈衝PULSE，OUT表示整個近紅外多光子探測器的輸出值。從該圖可以看出，輸出OUT的幅值與輸入光子數成正比。
[0022]下面對近紅外多光子探測器的部件做進一步說明。
[0023]參考圖3，所述讀出晶片包括:檢測電路、脈衝疊加電路。所述檢測電路用於對所對應的光電雪崩二極體單元進行淬滅和復原，對應一個光子輸出一個脈衝。所述脈衝疊加電路將各個檢測電路所輸出的脈衝疊加輸出一個脈衝，該脈衝的幅值和光子數成比例。
[0024]所述檢測電路有多個，每個檢測電路對應光電雪崩二極體陣列中的一個單元。如圖3中的左半部分所示，這些檢測電路的排布方式與光電雪崩二極體陣列中的各個單元的排布方式相一致，各個檢測電路的輸出結果都被傳輸到所述的脈衝疊加電路。在圖3中的右半部分，對檢測電路的電路結構做了進一步的說明。一個檢測電路包括:驅動管、比較器、用於產生淬滅脈衝的第一單穩態觸發器I以及用於產生復原脈衝的第二單穩態觸發器2。其中，晶片管腳PAD通過In柱與光電雪崩二極體陣列中的某一單元相連，該PAD的輸出端連接到一比較器的輸入端，該比較器的另一輸入端則輸入REF信號；所述比較器的輸出端連接到第一單穩態觸發器I上，該第一單穩態觸發器I分別與一驅動管、第二單穩態觸發器2、GATE信號輸入端相連。所述第二單穩態觸發器2與另一驅動管連接。
[0025]GATE信號在檢測電路中作為門控方式，當GATE信號為低時，第一單穩態觸發器I發出淬滅脈衝，使得整個檢測電路一直處於淬滅狀態，當GATE為高時，每個光子觸發APD雪崩，第一單穩態觸發器I發出淬滅脈衝，隔一段時間第二單穩態觸發器2發出復原脈衝，這一過程交替進行，整個檢測電路正常工作。檢測電路在正常工作時，PAD採集到所對應的光電雪崩二極體單元所釋放的電流後，向比較器輸出一電壓，該電壓與作為比較器鑑別電壓的REF信號進行比較，若輸出電壓高於該電壓，則識別為一個光子。當識別出一個光子後，第一單穩態觸發器I向外部輸出一個脈衝PULSE。
[0026]所述脈衝疊加電路有一個，如圖4所示，該脈衝疊加電路包括多條並聯電路，每一併聯電路上至少包括有一開關Pn與一電流源In;該脈衝疊加電路還包括有一電阻，該電阻與這些並聯電路串聯。脈衝疊加電路中的各個開關受所對應的檢測電路所輸出的脈衝PULSE控制，若脈衝PULSE的值為1，則開關導通，該並聯電路中的電流源向外傳輸電流。從該電路結構中很容易看出，若光電雪崩二極體陣列中有N個單元檢測到光子，則會有N個對應的檢測電路發出脈衝PULSE，進一步的，就會有脈衝疊加電路中的N個並聯電路被導通，從而向外傳輸N路電流。因此，脈衝疊加電路中與並聯電路串聯的電阻上的電壓幅值與輸入光子數成正比。
[0027]圖5是讀出晶片的另一種電路實現方式，該電路同時具有檢測電路與脈衝疊加電路的功能。在這一讀出晶片中，當光子觸發Aro發生雪崩輸出電流，電流直接在電阻Rtl上產生壓降完成檢測的功能；同時電阻上的壓降降低了 Aro上的電壓，完成了被動淬滅的功能；當同時有多路APD觸發時，多路電流同時輸出到Rtl,在Rtl產生一個和光子數成正比的電壓，完成了脈衝疊加的功能。由於該讀出晶片無需淬滅脈衝即可實現淬滅，因此該讀出晶片也被稱為被動淬滅電路，此電路的優點是電路結構簡單，利於高密度集成。而圖3所示的讀出晶片需要淬滅脈衝來實現淬滅，因此該讀出晶片也被稱為主動淬滅電路，主動淬滅電路的優點是速度快。
[0028]最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種近紅外多光子探測器，其特徵在於，包括:光電雪崩二極體陣列、讀出晶片；其中，所述光電雪崩二極體陣列包括成陣列排布的多個單元，每一單元包括一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體；所述光電雪崩二極體陣列中的各個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體通過In柱與所述讀出晶片連接。
2.根據權利要求1所述的近紅外多光子探測器，其特徵在於，所述讀出晶片包括:檢測電路、脈衝疊加電路；其中，所述檢測電路有多個，每一個檢測電路對應一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體，所述檢測電路用於對所對應的光電雪崩二極體單元進行淬滅和復原，且所述InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體每收到一個光子，所述檢測電路輸出一個脈衝；所述脈衝疊加電路將各個檢測電路所輸出的脈衝疊加，最終輸出一個幅值和光子數成比例的脈衝。
3.根據權利要求2所述的近紅外多光子探測器，其特徵在於，所述檢測電路包括:驅動管、比較器、用於產生淬滅脈衝的第一單穩態觸發器(1)以及用於產生復原脈衝的第二單穩態觸發器⑵；其中，晶片管腳PAD通過In柱與一個InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體相連，該PAD的輸出端連接到一比較器的輸入端，該比較器的另一輸入端則輸入作為比較器鑑別電壓的REF信號；所述比較器的輸出端連接到所述第一單穩態觸發器(1)上，該第一單穩態觸發器(1)分別與一驅動管、第二單穩態觸發器(2)、作為門控信號的GATE信號輸入端相連；所述第二單穩態觸發器(2)與另一驅動管連接。
4.根據權利要求3所述的近紅外多光子探測器，其特徵在於，當GATE信號為低時，所述第一單穩態觸發器(1)發出淬滅脈衝，使得整個檢測電路一直處於淬滅狀態，當GATE信號為高時，每個光子觸發AH)雪崩，第一單穩態觸發器(1)發出淬滅脈衝，隔一段時間第二單穩態觸發器(2)發出復原脈衝，這一過程交替進行，整個檢測電路正常工作。
5.根據權利要求3所述的近紅外多光子探測器，其特徵在於，檢測電路在正常工作時，PAD採集到所對應的InGaAs/InP材料的光電雪崩二極體所釋放的電流後，向比較器輸出一電壓，該電壓與作為比較器鑑別電壓的REF信號進行比較,若輸出電壓高於該電壓，則識別為一個光子；當識別出一個光子後，所述第一單穩態觸發器(1)向外部輸出一個脈衝PULSE。
6.根據權利要求2所述的近紅外多光子探測器，其特徵在於，所述脈衝疊加電路包括多條並聯電路，每一併聯電路上至少包括有一開關Pn，所述脈衝疊加電路還包括一電阻，該電阻與這些並聯電路串聯；所述脈衝疊加電路中的各個開關受所對應的檢測電路所輸出的脈衝PULSE控制，若脈衝PULSE的值為1，則開關導通，該並聯電路中的電流源向外傳輸電流。
【文檔編號】G01J11/00GK104266770SQ201410532426
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】翟光傑, 鄭福, 王超 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心