1 中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518052
2 奥比中光科技集团股份有限公司，广东 深圳 518055
基于单光子雪崩二极管（SPAD）的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案，提高研发效率，降低研发成本。因此，从系统子模块的特性出发，利用时间相关单光子计数技术（TCSPC）和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型，得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器（TDC）和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明：在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×103 lx、目标反射率为10%的条件下，主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当；当目标反射率增加到50%后，主动复位电路的系统性能优于被动复位电路；类似地，多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC，主要表现在，与单事件首光子TDC相比，多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布，其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值，寻峰算法更简单，算力需求更少。仿真结果表明，为使系统性能最优化，SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。
激光雷达 单光子雪崩二极管 建模与仿真 淬灭电路 时间数字转换器 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1028003
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
在应用于自动驾驶的相位调制连续波（PhMCW）激光雷达测距系统中，测量中频（IF）信号的脉冲宽度是关键问题，时间数字转换器（TDC）模块对IF信号的测量决定了PhMCW激光雷达的测距范围与精度。然而传统的TDC实现方法测量范围很小，且实现大测量范围时系统复杂度高，难以应用于自动驾驶。为了实现高精度大范围的TDC模块，采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的严格计数链法，在保证比较高的测量精度的前提下，增加很少的资源使用量就可以扩大测量范围，设计简单。该TDC模块能够实现1.24 μs的时间测量范围，对应最大探测距离为186 m。利用信号源产生不同脉宽的被测信号进行实际测试，获得了最佳为26.42 ps的测量精度，对应测距精度为3.96 mm，优于现有商用激光雷达50 mm的测距精度。对200 ns脉宽的过采样数据包进行了频谱分析，证明了TDC测试结果受开关电源噪声影响。最后，搭建PhMCW激光雷达系统进行应用验证，实现了0.3~7 m飞行时间探测，从而证明了该TDC测量方法的可行性。该方法在激光雷达测距领域具有广阔的应用前景。
遥感 激光雷达 现场可编程门阵列 时间数字转换器 相位调制连续波 中频信号
在由FPGA超前进位单元级联构成的抽头延时链中, 非线性通常较差, 是TDC测量系统需要解决的重要问题之一。为了解决该问题, 文章在已有的抽头采样序列(“SCSC”)基础上, 提出了“混合”抽头采样序列的方法, 显著改善了延时单元的非均匀性。所搭建的TDC包含了抽头延时链、采样逻辑电路、编码逻辑电路、码密度校准等模块, 并在Xilinx Kintex-7系列芯片上进行验证。测试结果表明, 提出的方法相较于“SCSC”序列下的微分非线性降低了32.0%, 积分非线性降低了22.8%。通过进一步校准, 所实现的TDC分辨率(LSB)为13.51 ps, 测量精度为19.17 ps, 微分非线性为［-0.45, 0.96］LSB, 积分非线性在［-3.27, 1.33］LSB之间。
时间数字转换器 超前进位链 码密度校准 time to digital converter Carry4 code density calibration
SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
时间数字转换器 光子飞行时间 门控环形振荡器 锁相环 单光子雪崩光电二极管 time to digital converter time-of-flight gated ring oscillator phase-locked loop SPAD 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220896
1 南京邮电大学集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023
2 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
3 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 244199
基于0.18 μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间（dTOF）探测器。集成的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构，显著提高了对近红外光子的探测概率；采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环，有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器（TDC），获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明，SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率（PDP）峰值达到45%，在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%，暗计数率（DCR）小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围，差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）均小于±1 LSB（1 LSB=130 ps）。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点，可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。
探测器 直接飞行时间 单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 时间数字转换器 光学学报
2023, 43(20): 2004002
红外与激光工程
2023, 52(3): 20230017
1 科大国盾量子技术股份有限公司, 安徽 合肥 230088
2 浙江华电器材检测研究院有限公司, 杭州 浙江 310000
3 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司, 浙江 嘉兴 314000
4 浙江国盾量子电力科技有限公司, 浙江 杭州 310007
为进一步提升量子密钥分发 (QKD) 技术的实用性和安全性, 挖掘 QKD 系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的 QKD 系统的攻击方式, 攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏 QKD 系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击, 提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案, 该方案通过使用 TDC 时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证, 该方案具备可行性。
量子通信 量子密钥分发 雪崩光电二极管 死时间攻击 时间数字转换器 现场可编程门阵列 quantum communication quantum key distribution avalanche photo diode dead time attack time to digital converter field programmable gate array
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
碲镉汞雪崩光电二极管（HgCdTe APD）是目前红外焦平面技术前沿研究之一，低温下高精度时间标记读出电路是APD焦平面的基础，直接影响到APD红外焦平面性能。时间数字转换电路（TDC）是实现高精度时间标记的方法之一。基于对低温下金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）器件的分析，设计了一款游标型TDC电路，该方法利用同步计数器量化整数倍周期，实现粗计数6 bits的输出；通过片上锁相环倍频的高频时钟来量化不足一个时钟周期的部分，以实现精计数6 bits的输出。电路采用标准互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺流片，工作在120 MHz的主频与77 K下测试得到，能够分辨最小精度为236.28 ps，其中微分非线性为-0.54~0.71 LSB，积分非线性为-1.32~1.21 LSB。
碲镉汞 e-APD 时间数字转换电路 游标型延时线 非线性度 HgCdTe e-APD time-to-digital converter circuit vernier delay line nonlinearity
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景，InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度，通过计量光子飞行时间实现距离探测，时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度，是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC），采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享，基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时；中高段位每个像素独享，中段位采用分频计数器降低时钟频率，降低阵列整体功耗，高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 µm CMOS工艺流片，实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns，积分非线性−0.4~0.6 LSB，微分非线性−0.4~0.4 LSB，TDC转换单调，有效量程位数13位，20 kHz帧频功耗380.5 mW。
时间数字转换 时间分辨率 低误码 单光子探测 盖革雪崩焦平面 time-to-digital converter time resolution low error code single photon detection Geiger avalanche focal plane 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210009
强激光与粒子束
2021, 33(10): 105001
