1 武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072
2 中国空间技术研究院，北京 100098
3 武汉量子技术研究院，湖北 武汉 430010
硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）具有极高的探测灵敏度和响应速度，且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性，在光子计数激光雷达应用中有独特的优势。然而，由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式，其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象，不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂。针对该问题，本文建立了SiPM光子事件响应模型，以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布，最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型。同时，搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统，通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符（R2>0.95）。通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价，并给出最优鉴别阈值区间，这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义。
硅光电倍增管 脉冲堆叠 鉴别阈值 探测概率模型 photomultiplier tubes pulse pile up discrimination threshold detection probability model
湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081
单光子雪崩二极管（SPAD）可以检测到异常微弱的光信号，可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体（BCD）工艺，设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率（PDP）的SPAD器件。该器件在440~740 nm范围内具有良好的光谱响应。采用半径为10 μm的N+/P阱形成PN结作为感光区域，由N阱形成一个能有效防止边缘击穿的保护环。应用计算机技术辅助设计（TCAD）软件对SPAD的基本工作原理进行了定性分析，并通过建立的测试平台获得了设备的实际电气参数。测试结果表明，在1 V的过量偏置电压下，在480~660 nm的波长范围内，该器件可达到30%以上的PDP。在560 nm时，PDP峰值为42.7%，暗计数率为11.5 2。最后通过设计VerilogA混合模型验证了器件的模拟结果和实测结果之间具有良好一致性。
单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 光谱响应 VerilogA模型 光学学报
2023, 43(23): 2313001
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
湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081
基于半导体工艺器件仿真软件和Matlab编程，对光子探测概率（PDP）进行了建模和实验表征。进一步考虑器件表面二氧化硅薄膜的光透射性，可以准确预测单光子雪崩二极管（SPAD）的性能。将模拟结果与采用0.18 μm标准双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体（BCD）工艺设计和加工的SPAD的结果进行比较。结果显示，PDP的预测结果与实验结果之间具有良好的一致性，平均误差为1.72%。该模型可以减少商用器件仿真软件中存在的不收敛问题，极大减少了开发SPAD器件新结构所需的时间和成本。
光电子学 单光子雪崩二极管 薄膜透射 光子探测概率 Matlab建模 光学学报
2023, 43(10): 1025002
1 武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072
2 中国空间技术研究院，北京 100098
3 武汉量子技术研究院，湖北 武汉 430010
光电倍增管（Photomultiplier Tubes，PMT）具有光子级别的灵敏度，而且没有物理意义上的死区时间，在光子计数雷达应用中有独有的优势，但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布，且不同脉冲之间还有可能产生堆叠，传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布，脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型，并根据实际应用场景进行了简化，通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统，通过和盖革模式APD进行实验对比，发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失，但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布，新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。
光电倍增管 脉冲堆叠 脉冲高度分布 探测概率模型 photomultiplier tubes pulse pile up pulse height distribution detection probability model 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210978
浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
硅基光电倍增管(SiPM)是由数百乃至数千单光子雪崩二极管(SPAD)组成的阵列，它具有增益高、易于集成到阵列以及抗干扰等优点，在激光雷达测距方面具有广泛的应用前景。本文分析了激光雷达测距中的信号和噪声模型，仿真计算了阳光下的SiPM模拟输出，通过高斯拟合得到相应的均值，并在SPAD接收光子受激发概率服从泊松分布的基础上，给出了背景光电子数在0.001个/ns~0.01个/ns，探测器死时间在5 ns~50 ns范围内受背景光影响的SiPM模拟输出计算公式，推导了目标探测概率表达式。在室外环境光下进行的激光测距探测概率实验结果与理论计算值相吻合。
硅基光电倍增管 背景光 死时间 激光测距 探测概率 SiPM background light dead time laser ranging probability of detection
湖南师范大学物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410081
随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这一问题,设计了一种分别在可见光区和红外光区响应的双波峰SPAD。为确保该器件能实现预期的功能,首先利用半导体工艺器件仿真软件(TCAD)来验证该器件的合理性,再通过搭建外部淬灭电路来测试SPAD的各项性能参数。测试结果显示,该器件的雪崩击穿电压为12.75 V。在22 ℃的室温条件下(过偏压为0.5 V),SPAD的光子探测概率在520 nm处达到32%,在840 nm处达到12%。此外,当过偏压为1 V时,其暗计数率(DCR)为1 kHz。因此,该SPAD能够实现对可见光及近红外光的双波峰探测,并且将DCR控制在一个较低的范围内。
单光子雪崩光电二极管 极弱光探测 雪崩击穿电压 光子探测概率 暗计数率 光学学报
2021, 41(17): 1704001
1 脉冲功率激光技术国家重点实验室(国防科技大学)，安徽 合肥 230037
2 电子制约技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037
3 63850部队，吉林 白城 137000
摘 要： 光子探测具有灵敏度高、系统功耗低和探测距离远等优点，探测性能易受大气环境影响。建立湍流效应下光子探测模型，定义了回波光子调制泊松分布概率，当回波光子数小于0.1时，调制泊松分布退化为泊松分布。建立了光子探测距离漂移模型，重构光子探测的回波分布，以计算距离漂移。探讨了湍流效应下的光子探测回波特性和距离漂移的变化规律。结果表明：湍流作用下光子探测首光子效应减弱，当湍流为10-16 m-2/3，无湍流的回波光子数为2时，与无大气湍流时相比，距离漂移减小0.41 cm，测距精度下降0.23 cm；随着湍流的增强，湍流为5×10-15 m-2/3时，探测概率平均降低78.18%，距离漂移平均减小91.49%，测距精度最大下降85.77%。
距离漂移误差 大气湍流 光子探测 探测概率 泊松分布 range walk error atmospheric turbulence photon detection detection probability Poisson distribution 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200192
1 火箭军工程大学导弹工程学院, 陕西 西安 710025
2 火箭军研究院系统工程研究所, 北京 100091
高重复频率干扰激光器被激光导引头精确探测是高重复频率有效干扰的必要条件,因此基于激光导引头探测性能研究高重复频率干扰激光器至关重要。采用计算分析的方法研究导引头虚警概率和探测概率,得出:当阈噪比TNR为3.5时,虚警概率Pf约为0.02%;当阈噪比TNR为3.5且被检测信号在导引头入瞳处的功率密度为导引头探测器门限值的1.9倍时,探测概率Pp约为99.92%。基于探测概率研究高重复频率干扰激光器的激光导引头探测概率Pp与高重复频率干扰激光器参数(平均功率P1、脉冲发射频率f、脉冲宽度τ)、激光导引头参数(探测器门限值Pth、阈噪比TNR)以及作用距离R之间的关系,并结合应用背景通过MATLAB软件进行仿真分析。
激光器 虚警概率 探测概率 导引头探测器门限值 阈噪比 高重复频率干扰激光器 中国激光
2019, 46(11): 1101001
