阵列型红外单光子探测读出电路的研制

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1、分类号：ＴＮ４３２单位代码：１０１８３研究生学号：２０１５５１４０２６密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）阵列型红外单光子探测读出电路的研制ＳｔｕｄｙａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＲｅａｄｏｕｔＣｉｒｃｕｉｔｆｏ－ｒＩｎｆｒａｒｅｄＳｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎＡｒｒａｙ作者姓名：孙睿智类别：工程硕士领域（方向）：模拟集成电路指导教师：马艳副教授培养单位：电子科学与工程学院２０１８年６月未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进

2、行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者。否则著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限），应承担侵权的法律责任。吉林大学博士（或硕士学位论文原创性声明）本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：０曰期：＞丨８年６月曰ｆ—————————————————————阵列型红外单光子探测读出电

3、路的研制—————————————————————StudyandDesignofReadoutCircuitforInfraredSingle-photondetectionArray—————————————————————作者姓名：孙睿智领域（方向）：集成电路工程指导教师：马艳副教授类别：工程硕士答辩日期：2018年05月25日摘要红外单光子探测技术具有广泛的应用前景，其在军事领域、量子通信与计算、生物化学应用（如荧光寿命检测）、空间激光通信技术、激光测距与激光雷达测距系统及三位成像、天文观测等领域具有极其重要的研究意义。本文设计了一款应用于单光子探测的读出电路，其主要功能是对光子的

4、飞行时间进行测量，并针对提高激光雷达的测距距离，设计了像素级时间数字转换器，最终可实现千米以上的测距距离，且具有较高的时间精度。本论文针对红外单光子探测的读出电路进行了深入的研究与分析，并完成了一款基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管探测器的单光子探测读出电路的设计。本论文主要内容如下：1.本论文采用被动淬灭被动恢复电路来实现当探测器阵列在发生雪崩时，使其淬灭并恢复到待探测光子的状态，为实现在标准CMOS工艺下对读出电路的高压保护，采用像素内集成金属大电阻的结构，并通过电容将探测点与读出电路隔离开，确保读出电路不会因过大的雪崩电压而发生击穿的现象。2.为实现高时间分辨率及提高动态范围和

5、激光雷达可测距离，本论文设计的数字时间转换电路采用粗细计数相结合的方式，其所需的多相位高频时钟信号由片内集成的相位锁相环提供，使其时间分辨率可在330ps以下，并且其可探测距离达到千米以上。3.为提高整体芯片的读出速率，采用像素内数据全并行的读出方式，并将整体像素阵列分成左，右两个半平面，每个半平面共用一路数字输出接口，这种设计的优点是可以将整体芯片的帧频提高到100k帧每秒及以上。并且读出电路的偏置由片外提供。4.本次芯片设计最终流片采用1P4M0.18μm工艺，使用cadence软件进行电路架构设计、前后仿真及版图设计，最终完成了一款阵列规模为16×16的基于InGaAs/InP材料的

6、雪崩二极管为探测器的单光子探测的读出电路芯片的设计。关键词：单光子探测；淬灭及恢复；时间数字转换器；时间分辨率IAbstractTheinfraredsinglephotondetectiontechnologyhasawiderangeofapplicationprospectsinthemilitaryfield,quantumcommunicationandcomputing,biochemicalapplications(suchasfluorescencelifetimedetection),spacelasercommunicationtechnology,laserrangi

7、ngandlaserradarrangingsystemsandthree-dimensionalimaging,Astronomicalobservationandotherfieldshaveextremelyimportantresearchsignificance,andtheyarealsothefrontierscienceandtechnologythatcountriesintheworldscrambl