CN112129406B - 具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测阵列及系统，由偏置电压源1、单光子探测器阵列2、主动淬灭电路芯片3、串扰鉴别及抑制电路4、信号处理系统5和光源6组成。本发明可用于实现单光子探测器阵列的高填充因子和低串扰，可广泛用于激光雷达、荧光寿命成像、正电子发射断层扫描、医学成像等极微弱光探测的领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，本发明可用于激光雷达、荧光寿命成像、正电子发射断层扫描、医学成像等极微弱光探测的领域。属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
传统成像技术如CMOS图像传感器和CCD图像传感器在极弱光探测方面受到了很大的限制，工作于单光子模式下的单光子雪崩光电二极管阵列相比于这些传统的手段，具有探测灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单的优势，被广泛的应用在激光雷达，荧光寿命探测，DNA测序，医学成像等极微弱光成像应用领域。
填充因子是单光子雪崩光电二极管阵列的一个重要参数，填充因子(Fillfactor，FF)可以定义为：
FF＝Sa/SP (1)
其中Sa为有源区(感光)面积，Sp为集成像素的面积。FF主要取决于单光子雪崩光电二极管的保护环结构、有源区设计尺寸和淬灭机制。单光子雪崩光电二极管阵列的探测效率与其填充因子成正相关，即FF越大探测效率越高。
在单光子雪崩光电二极管阵列中，为了缓解像素之间的串扰，需要保证相邻像素之间的隔离。尽管如此，当阵列中的一个单光子雪崩光电二极管触发雪崩后，仍不可避免的存在一部分光子和电子会被邻近的像素检测到从而产生串扰。串扰主要分成电串扰和光串扰两种。电串扰来源是雪崩事件产生的自由载流子横向扩散时进入邻近单光子雪崩光电二极管产生的，这些自由载流子会造成邻近单光子雪崩光电二极管产生错误的雪崩事件电脉冲。
光串扰的来源是单光子雪崩光电二极管阵列中吸收光子后产生的雪崩电流中的高速电子与带电杂质碰撞后减速或者直接复合和带内跃迁产生的电致发光引起邻近单光子雪崩光电二极管产生错误的雪崩事件电脉冲。光串扰率的公式为：
Pcrosstalk＝Pgeneration×Ppass×Pabsorb×Pavalanche(2)
其中，Pgeneration是发射单光子雪崩光电二极管中电致发光的发生概率，Ppass是光子能够传播到接收单光子雪崩光电二极管的概率，Pabsorb是接收单光子雪崩光电二极管对光子的吸收概率，Pavalanche是光子引起接收单光子雪崩光电二极管发生雪崩事件的概率。根据相关理论和实验研究光串扰和电串扰过程发生所需要的时间为纳秒量级，本发明根据该结论提出了通过测量被触发单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲与邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲之间的时间间隔，并与串扰过程发生所需的时间比较来鉴别是否发生串扰，同时将串扰引起的雪崩事件电脉冲滤除来实现单光子探测器阵列的光串扰和电串扰的降低。
高性能单光子雪崩光电二极管阵列的关键表征是高探测效率和低噪声(串扰)。探测器阵列的高填充因子有利于提高单光子雪崩光电二极管的探测效率和灵敏度，但是高填充因子带来了光串扰和电串扰。因此如何在高填充因子的情况下，实现探测器阵列的低串扰成为需要解决的关键问题。
为了实现单光子雪崩光电二极管阵列的高填充因子和低串扰。Benoit-LouisBerube等人通过3D stack IC封装技术，将单光子雪崩光电二极管阵列集成在第一层，淬灭电路集成于第二层，高级电路集成于第三层，该方法提高了单光子雪崩光电二极管阵列的填充因子(Benoit-Louis Berube，et al.，“Development of a Single Photon AvalancheDiode(SPAD)Array in High Voltage CMOS 0.8μm dedicated to a 3D IntegratedCircuit(3DIC)，”2012IEEE Nuclear Science Symposiwn and Medical ImagingConference Record)；韩德俊等于2019年公开了一种“雪崩光电二极管阵列探测器”，他们通过将传感器芯片和信号读出芯片通过倒装方式集成在一起来提高探测器的填充因子；NiccolòCalandri等人通过在InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管阵列中利用聚焦离子束蚀刻的沟槽来减少光串扰(NiccolòCalandri，et al.，“Optical Crosstalk in InGaAs/InPSPAD Array:Analysis and Reduction With FIB-Etched Trenches，”IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS,VOL.28,NO.16,AUGUST 15,2016)；E.Sciacca等人通过在单光子雪崩光电二极管阵列每个像素周围引入沟槽，槽内覆盖薄氧化层用于隔离电串扰，覆盖金属-有机化学气相沉积钨用于隔离光串扰E.Sciacca，et al.，“Arrays of Geiger ModeAvalanche Photodiodes，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.18,NO.15,AUGUST1,2006)；郑婉华等于2018年公开了一种“硅基雪崩光电探测阵列”，他们通过沟槽结构的高反介质膜阻挡邻近雪崩光电二极管间的侧向光串扰，通过基于SiO2/Si复合衬底的SiO2键合界面阻挡二次光子经由衬底进入邻近雪崩光电二极管，从而有效截断了雪崩光电二极管间的串扰；以上发明中存在以下缺陷和不足：1、利用3D stack IC封装技术，或者通过倒装方式将单光子雪崩光电二极管和信号读出芯片集成在一起来提高单光子雪崩光电二极管阵列的填充因子，该方法对芯片加工工艺要求高，芯片设计复杂，造价高昂，难以生产，此外这种方法并不能有效避免串扰的产生。2，通过增加阵列中探测器之间的间距，或者在探测器之间增加高反介质膜以及在探测器之间增加金属和氧化物隔离，虽然在一定程度上减弱了串扰，但是降低了单光子探测器阵列的填充因子。3、上述发明无法同时实现单光子雪崩光电二极管阵列的高填充因子和低串扰。
为了解决上述问题，本发明公开了一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统。该系统通过将单光子雪崩光电二极管阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，来提高单光子探测器阵列的填充因子。同时通过测量被触发单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲与邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲之间的时间间隔，并与串扰过程发生所需的时间比较来鉴别是否发生串扰，同时将串扰引起的雪崩事件电脉冲滤除来实现在不影响填充因子的情况在，有效地降低阵列的串扰噪声。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统。可以用于激光雷达，荧光寿命成像，医学成像等极微弱光探测的领域。
具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统，由偏置电压源1、单光子探测器阵列2、主动淬灭电路芯片3、串扰鉴别及抑制电路4、信号处理系统5和光源6组成。
本发明是这样实现的：偏置电压源1输出可控直流电压至单光子探测器阵列2中的所有单光子雪崩光电二极管，为其提供单光子工作模式所需要的偏置电压。单光子探测器阵列2中的所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列3中与之对应的主动淬灭电路的输入。光源6发射光子至单光子探测器阵列2，当光子入射引起单光子探测器阵列2中某个单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号输出至串扰鉴别及抑制电路4。串扰鉴别及抑制电路4检测被触发单光子雪崩光电二极管邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间，通过与串扰鉴别及抑制电路4中设置的时间间隔阈值比较来鉴别邻近单光子雪崩光电二极管的输出是光子入射引起的雪崩事件电脉冲还是串扰引起的雪崩事件电脉冲。其中串扰引起的错误雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路4滤除，光子入射引起的雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路4输出至信号处理系统5，信号处理系统5对串扰鉴别及抑制电路4的输出进行计数处理、数据储存和数据显示。
偏置电压源1可以是交流/直流或直流/直流的可控稳压源，其作用是为单光子探测器阵列2中的单光子雪崩光电二极管提供单光子模式所需要的直流偏置电压。偏置电压源1的直流电压输出通道数目与单光子探测器阵列中的探测器数目一致，输出的电压值可以通过用户根据使用情况进行控制。
单光子探测器阵列2是基于单光雪崩光电二极管的一维或者二维阵列芯片。芯片制造工艺可以是用户制定工艺或者标准集成电路制造工艺，制造工艺制程可以是0.8微米、0.5微米、0.35微米、0.18微米、90纳米、45纳米中的任何一种，探测器材质可以是基于硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)中的任何一种。阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，以实现探测芯片填充因子的最大化。
主动淬灭电路阵列3中主动淬灭电路的数目与单光子雪崩光电二极管阵列1中的单光子雪崩光电二极管的数目相同。单光子雪崩光电二极管阵列1中的所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列2中与之对应的主动淬灭电路的输入。主动淬灭电路的作用是降低单光子雪崩光电二极管的偏置电压低于其击穿电压来抑制雪崩过程(淬灭)，并在一段时间(死时间)后快速恢复单光子雪崩光电二极管的偏置电压(复位)，做好探测下一个入射光子的准备，同时将单光子雪崩光电二极管的雪崩事件电脉冲转为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号。主动淬灭电路能快速打断单光子雪崩光电二极管被触发后的雪崩进程，以抑制单光子雪崩光电二极管中因雪崩电流电致发光引起的光子发射(光串扰)和雪崩电流中自由载流子的横向扩散(电串扰)。光子淬灭死时间可以是固定的或者是在一定时间范围内可调节的。
串扰鉴别及抑制电路4可以是基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或者微控制器模块、也可以是基于标准集成电路工艺专用集成电路。串扰鉴别及抑制电路4的作用是降低单光子探测器阵列1中邻近单光子雪崩光电二极管之间的光串扰和电串扰。串扰鉴别及抑制电路4的输入连接主动淬灭电路阵列3的输出，用来监控主动淬灭电路阵列3中所有主动淬灭电路输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号。光源6发射光子到单光子探测器阵列1，光子入射引起单光子探测器阵列1中的某个单光子雪崩光电二极管输出雪崩电脉冲，雪崩事件电脉冲经主动淬灭电路阵列3输出到串扰鉴别及抑制电路4。串扰鉴别及抑制电路4检测到该雪崩事件电脉冲的到达，与此同时检测被触发单光子雪崩光电二极管邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间。串扰鉴别及抑制电路4中设置一个纳秒级的时间间隔阈值用于分辨邻近单光子雪崩光电二极管的输出是光子入射引起的雪崩事件电脉冲还是串扰引起的雪崩事件电脉冲。当检测到邻近的单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间大于时间间隔阈值时，则该雪崩事件电脉冲是由正常光子入射引起的，小于时间间隔阈值时，则该雪崩事件电脉冲是由串扰效应引起的。其中光子入射引起的雪崩事件电脉冲经过串扰鉴别及抑制电路4输出到信号处理系统5，串扰引起的雪崩事件电脉冲(错误事件)被串扰鉴别及抑制电路4滤除。串扰鉴别及抑制电路4中的时间间隔阈值取决于串扰传递时间，串扰传递时间为被光子触发的单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲引起邻近单光子雪崩光电二极管输出串扰雪崩事件电脉冲的所需时间。
光源6可以是激光/LED，荧光寿命探测系统中的受激发的荧光信号，光学表面等离子共振系统(SPR)的反射光信号、激光测距雷达的反射光信号、光时域反射系统中的反射光信号等各种光信号的一种。
本发明相比现有技术的优点在于：提高了单光子雪崩光电二极管阵列填充因子的同时降低了光串扰和电串扰。
(四)附图说明
图1是具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统示意图。它由偏置电压源1、单光子探测器阵列2、主动淬灭电路芯片3、串扰鉴别及抑制电路4、信号处理系统5和光源6组成。
图2是具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统实施例示意图。它是由偏置电压源1、7×7单光子探测器阵列2、主动淬灭电路芯片3、串扰鉴别及抑制电路4、信号处理系统5和光源6组成。
图3是具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统示意图。实施例中7×7单光子探测器阵列2中单光子雪崩光电二极管A及邻近的4个单光子雪崩光电二极管分别为B、C、D、E经过时间间隔电路分析的示意图，其中T为串扰鉴别及抑制电路中设置的时间间隔阈值。
图4是具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统实施例中串扰鉴别及抑制电路4的若干方法，其中网格部分为被光子触发的单光子雪崩光电二极管，深色部分为串扰鉴别及抑制过程中被检测和控制的单光子雪崩光电二极管。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3给出了具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统的实施例。它是由偏置电压源1、7×7单光子探测器阵列2、主动淬灭电路芯片3、串扰鉴别及抑制电路4、信号处理系统5和光源6组成。
实施例中7×7单光子探测器阵列2中全部49个单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列3中与之对应的主动淬灭电路。偏置电压源1输出可控直流电压至7×7单光子探测器阵列2中的所有单光子雪崩光电二极管，为其提供单光子工作模式所需要的偏置电压。7×7单光子探测器阵列2中的所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列3中与之对应的主动淬灭电路的输入。光源6发射光子至7×7单光子探测器阵列2，当光子入射引起7×7单光子探测器阵列2中某个单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号输出至串扰鉴别及抑制电路4。串扰鉴别及抑制电路4检测被触发单光子雪崩光电二极管邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间，通过与串扰鉴别及抑制电路4中设置的时间间隔阈值比较来鉴别邻近单光子雪崩光电二极管的输出是光子入射引起的雪崩事件电脉冲还是串扰引起的雪崩事件电脉冲。其中串扰引起的错误雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路4滤除，光子入射引起的雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路4输出至信号处理系统5，信号处理系统5对串扰鉴别及抑制电路4的输出进行计数处理、数据储存和数据显示。
实施例中7×7单光子探测器阵列2中的单光子雪崩光电二极管A、B、C、D、E输出的雪崩时间电脉冲经时间间隔电路4的分析处理方法如图3，其中T为时间间隔电路4中设置的时间间隔阈值。通过将B、C、D、E输出的雪崩事件电脉冲与单光子雪崩光电二极管A输出的雪崩事件电脉冲之间的时间间隔(t1、t2、t3、t4、t5、t6)与时间间隔阈值T进行比较，鉴别出光子入射引起的雪崩事件电脉冲(光脉冲)和串扰引起的雪崩事件电脉冲(串扰脉冲)。其中t1、t4、t6大于T为光子入射引起的雪崩事件电脉冲(光脉冲)，t2、t3、t5小于T为串扰引起的雪崩事件电脉冲(串扰脉冲)。
串扰鉴别及抑制电路4的控制方法可以根据实际单光子探测器阵列的串扰率的强度和分布情况，选择合适的控制方法。图4给出了有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列及系统实施例中串扰鉴别及抑制电路4的若干控制方法，其中网格部分为被光子触发的单光子雪崩光电二极管，深色部分为串扰鉴别及抑制过程中被检测和控制的单光子雪崩光电二极管。
Claims (7)
1.一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，由偏置电压源(1)、单光子探测器阵列(2)、主动淬灭电路阵列(3)、串扰鉴别及抑制电路(4)、信号处理系统(5)和光源(6)组成；所述系统中偏置电压源(1)输出可控直流电压至单光子探测器阵列(2)中的所有单光子雪崩光电二极管，为其提供单光子工作模式所需要的偏置电压；单光子探测器阵列(2)中的所有单光子雪崩光电二极管连接主动淬灭电路阵列(3)中与之对应的主动淬灭电路；光源(6)发射光子至单光子探测器阵列(2)，当光子入射引起单光子探测器阵列(2)中某个单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号输出至串扰鉴别及抑制电路(4)；串扰鉴别及抑制电路(4)检测被触发单光子雪崩光电二极管邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间，通过与串扰鉴别及抑制电路(4)中设置的时间间隔阈值比较来鉴别邻近单光子雪崩光电二极管的输出是光子入射引起的雪崩事件电脉冲还是串扰引起的雪崩事件电脉冲；其中串扰引起的错误雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路(4)滤除，光子入射引起的雪崩事件电脉冲经串扰鉴别及抑制电路(4)输出至信号处理系统(5)，信号处理系统(5)对串扰鉴别及抑制电路(4)的输出进行计数处理、数据储存和数据显示。
2.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的偏置电压源(1)可以是交流/直流或直流/直流的可控稳压源，其作用是为单光子探测器阵列(2)中的单光子雪崩光电二极管提供单光子模式所需要的直流偏置电压；偏置电压源(1)的直流电压输出通道数目与单光子探测器阵列中的探测器数目一致，输出的电压值可以通过用户根据使用情况进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的单光子探测器阵列(2)是基于单光雪崩光电二极管的一维或者二维阵列芯片；芯片制造工艺可以是用户定制工艺或者标准集成电路制造工艺，制造工艺制程可以是0.8微米、0.5微米、0.35微米、0.18微米、90纳米、45纳米中的任何一种，探测器材质可以是基于硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)中的任何一种；阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，以实现探测芯片填充因子的最大化。
4.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的主动淬灭电路阵列(3)中主动淬灭电路的数目与单光子雪崩光电二极管阵列(1)中的单光子雪崩光电二极管的数目相同；单光子雪崩光电二极管阵列(1)中的所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列(3)中与之对应的主动淬灭电路的输入；主动淬灭电路的作用是降低单光子雪崩光电二极管的偏置电压低于其击穿电压来抑制雪崩过程(淬灭)，并在一段时间(死时间)后快速恢复单光子雪崩光电二极管的偏置电压(复位)，做好探测下一个入射光子的准备，同时将单光子雪崩光电二极管的雪崩事件电脉冲转为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号；主动淬灭电路能快速打断单光子雪崩光电二极管被触发后的雪崩进程，以抑制单光子雪崩光电二极管中因雪崩电流电致发光引起的光子发射(光串扰)和雪崩电流中自由载流子的横向扩散(电串扰)；光子淬灭死时间可以是固定的或者是在一定时间范围内可调节的。
5.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的串扰鉴别及抑制电路(4)可以是基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或者微控制器模块，也可以是基于标准集成电路工艺专用集成电路；串扰鉴别及抑制电路(4)的作用是降低单光子探测器阵列(2)中邻近单光子雪崩光电二极管之间的光串扰和电串扰；串扰鉴别及抑制电路(4)的输入连接主动淬灭电路阵列(3)的输出，用来监控主动淬灭电路阵列(3)中所有主动淬灭电路输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号；光源(6)发射光子到单光子探测器阵列(1)，光子入射引起单光子探测器阵列(1)中的某个单光子雪崩光电二极管输出雪崩电脉冲，雪崩事件电脉冲经主动淬灭电路阵列(3)输出到串扰鉴别及抑制电路(4)；串扰鉴别及抑制电路(4)检测到该雪崩事件电脉冲的到达，与此同时检测被触发单光子雪崩光电二极管邻近单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间；串扰鉴别及抑制电路(4)中设置一个纳秒级的时间间隔阈值用于分辨邻近单光子雪崩光电二极管的输出是光子入射引起的雪崩事件电脉冲还是串扰引起的雪崩事件电脉冲；当检测到邻近的单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲的到达时间大于时间间隔阈值时，则该雪崩事件电脉冲是由正常光子入射引起的，小于时间间隔阈值时，则该雪崩事件电脉冲是由串扰效应引起的；其中光子入射引起的雪崩事件电脉冲经过串扰鉴别及抑制电路(4)输出到信号处理系统(5)，串扰引起的雪崩事件电脉冲(错误事件)被串扰鉴别及抑制电路(4)滤除；串扰鉴别及抑制电路(4)中的时间间隔阈值取决于串扰传递时间，串扰传递时间为被光子触发的单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲引起邻近单光子雪崩光电二极管输出串扰雪崩事件电脉冲的所需时间。
6.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的信号处理系统(5)可以是基于微控制器或者是现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的一种；信号处理系统(5)对主动淬灭电路阵列(2)中所有主动淬灭电路输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号进行计数处理、数据储存和数据显示，并实现与其他设备的数据传输通信。
7.根据权利要求1所述的一种具有串扰抑制功能的高探测效率单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的光源(6)可以是激光/LED，荧光寿命探测系统中的受激发的荧光信号，光学表面等离子共振系统(SPR)的反射光信号、激光测距雷达的反射光信号、光时域反射系统中的反射光信号等各种信号的一种。
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