具有时间选通能力的广域单光子检测器制造技术

公开了一种光电检测器，其包括微单元格的阵列和输出模块，该输出模块被配置为从每个微单元格收集指示光子检测的输出信号并且将收集的输出信号组合在至少一条输出线中。每个微单元格包括：第一设备和第二设备，其中至少一个设备是能够检测光子的光敏设备；时间选通模块，连接到所述至少一个光敏设备并被配置为向该至少一个光敏设备提供选通信号以激活它；以及读出模块，被配置为一旦光子到达至少一个激活的光敏设备就从该至少一个激活的光敏设备接收对应信号并且基于接收到的信号将输出信号提供给输出模块。号提供给输出模块。号提供给输出模块。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有时间选通能力的广域单光子检测器


[0001]本专利技术涉及光电检测器领域，特别是固态单光子检测器，更特别是具有时间选通能力和广光敏区域的单光子检测器。

技术介绍

[0002]漫射光学是对在高散射介质中的光子传播的研究。
[0003]在漫射光学的应用当中，近红外光谱术(NIRS)被用于通过估计样本的光学吸收和散射特性来估计生物组织和其它高散射介质的组成和微观结构，深度可达几厘米。估计可以通过NIRS借助于或者连续波(CW
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NIRS)或者脉动(时域或时间分辨TD
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NIRS)或者正弦波调制(频域或频率分辨FD
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NIRS)光激发来执行。
[0004]NIRS可以用于功能性脑成像、肌肉氧合监测、癌症检测、水果质量评估和许多其它应用。在NIRS技术当中，TD
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NIRS提供更高的信息含量、灵敏度、介质中的穿透性和对运动伪影的不敏感性。根据TD
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NIRS，激光的脉冲被注入正在分析的样本中(例如，通过使用光纤)并且从样本重新发射的光由具有单光子灵敏度的光电检测器收集(在本描述中，术语“光电检测器”和“检测器”将互换使用)。为了最大化地从样本收集光，光电检测器必须具有足够大的敏感区域(例如，大于1mm2)。
[0005]TD
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NIRS可以利用所谓的“快速时间选通获取”技术，结合被调查的样本上光子撞击介质的点(即，注入点或源点)和收集反向散射光子的点(即，收集点或检测点)之间的短距离。“快速选通”方法的“快速时间选通”由非常快速地打开(能检测光子)和关闭(不能检测光子)光电检测器组成，以便仅从重新发射的光中选择有用的光子，即，仅在明确定义的时间间隔期间(当预计有用的光子到达时)启用检测。特别地，“快速时间选通”方法由在关闭状态和开启状态之间以亚纳秒转变时间(更有可能在几百皮秒的范围内)切换光电检测器组成，同时仍然能够检测光子，即使在转变期间和刚刚转变之后。仅对读出电路进行选通(参见例如“A 64
×
64
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Pixels Digital Silicon Photomultiplier Direct TOF Sensor With 100
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MPhotons/s/pixel Background Rejection and Imaging/Altimeter Mode With 0.14％Precision Up To 6km for Spacecraft Navigation and Landing”，M.Perenzoni等人，IEEE Journal of Solid
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State Circuits，第52卷，第1期，第151
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160页，2017年)而不对光电检测器进行选通的方法不被认为是“快速时间选通检测器”。快速时间选通方法通过拒绝相对于从介质更深层返回的光子提前到达的光子的强烈爆发而将测量动态范围提高了几个数量级。实际上，这些提前到达的光子仅提供关于所研究样本的表层和外层的信息(因为它们只穿过浅层组织)，更糟糕的是它们会使检测器饱和(甚至在一些情况下会损坏检测器)。
[0006]近年来，人们对单光子光检测和测距(LiDAR)越来越感兴趣。LiDAR技术通常被用于通过测量由激光器发射、由物体反射回来并由单光子检测器检测的光脉冲的飞行时间来重建某个位置周围的物体的空间图。周围空间的3D图是或者通过用点状光子源和检测器扫描场景或者通过闪光照亮场景并通过经由成像检测器(或经由检测器、激光器和扫描仪的
阵列的组合)获取返回光子来重建的。再次，单光子检测器可以利用“快速时间选通”技术来仅选择由明确定义的深度范围内的物体反射的(即，时间选通窗口内的)光子，从而避免来自感兴趣区域以外(例如，在所研究的物体的前面或后面)的其它物体的不想要的检测，由此限制背景光子。激光源和检测器可以或者沿着到物体的视线或在非视线配置中(例如，在拐角周围)被其它障碍物隐藏。LiDAR可以被用于汽车领域(例如，高级驾驶辅助系统
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ADAS、自动驾驶汽车)、用于工业自动化、用于非接触式交互(例如，在游戏中，与电子媒体设备)等。
[0007]单光子雪崩二极管(SPAD)是固态单光子检测器，其既可以被用于漫射光学应用，特别是用于快速时间选通操作，也可以被用于飞行时间成像应用，以及许多其它应用。如已知的，SPAD是高于击穿电压反向偏置的p
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n结，在所谓的“盖格(Geiger)模式机制”下操作。撞击在SPAD的光学活性(或简称为活性或光敏)区域上的单个光子可以生成能够触发电荷倍增雪崩过程的载流子对(电子和空穴)，从而产生宏观雪崩电流脉冲，标记那个光子的到达时间。当在快速时间选通模式下使用时，SPAD偏置电压可以保持在击穿以下，对应于不想要的光子(例如，从所研究样本的外层离开的早期光子或由靠近光源的物体反射的光子)的到达，然后在击穿以上被快速驱动以检测期望的信号(例如，从样本更深层出现的晚期光子或由远处物体反射的光子)。
[0008]在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，第16卷，第4期，2010年7月/8月，第1023
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1030页上A.Dalla Mora等人的文档“Fast
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Gated Single
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Photon Avalanche Diode for Wide Dynamic Range Near Infrared Spectroscopy”中，公开了单个SPAD设备，用于示出了低于200ps的转变时间的快速选通操作。
[0009]硅光电倍增器(SiPM)由成百上千个微单元格的阵列组成，每个微单元格包括SPAD及其猝熄电阻器(quenching resistor)，并且示出广泛活性区域(高达几mm2)。Opt.Express，第23卷，第11期，第13937
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13946页，2015年A.Dalla Mora等人的文档“Fast silicon photomultiplier improves signal harvesting and reduces complexity in time
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domain diffuse optics”公开了利用SiPM的时域漫射光学探针。
[0010]US 10,158,038B1公开了包括SPAD和电容器的示例性光电检测器。电容器被配置为在SPAD处于非待命状态时由电压源以偏置电压充电。电容器还被配置为当SPAD被置于待命状态时向SPAD的输出节点供应偏置电压，使得SPAD两端的电压大于SPAD的击穿电压。
[0011]US 2014/124653 A1公开了一种包括单光子雪崩二极管(SPAD)和包括电容的测量电路的像素电路。该电路可操作以在一时间段内每次一旦检测到SPAD事本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光电检测器(1)，包括：
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微单元格(11)的阵列；
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输出模块(12)，被配置为从每个微单元格收集指示光子检测的输出信号并将收集的输出信号组合在至少一条输出线(13)中，其中每个微单元格包括：
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第一设备(111)和第二设备(112)，其中所述第一设备(111)和所述第二设备(112)中的至少一个是能够检测所述光子的光敏设备；
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时间选通模块(113)，连接到所述至少一个光敏设备并被配置为向所述至少一个光敏设备提供选通信号以激活所述至少一个光敏设备；以及
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读出模块(114)，被配置为一旦所述光子到达所述至少一个激活的光敏设备就从所述至少一个激活的光敏设备接收对应的信号，以基于所述接收的信号将所述输出信号提供给所述输出模块(12)。2.根据权利要求1所述的光电检测器(1)，其中所述第一设备(111)和所述第二设备(112)两者都是光敏设备。3.根据权利要求2所述的光电检测器(1)，其中所述第一设备(111)和所述第二设备(112)两者都是单光子雪崩二极管。4.根据权利要求2或3所述的光电检测器(1)，其中所述时间选通模块(113)连接到所述第一光敏设备(111)和所述第二光敏设备(112)两者的阴极或阳极，并且所述读出模块(114b)连接到所述第一光敏设备(111)和所述第二光敏设备(112)两者的阳极或阴极。5.根据权利要求2或3所述的光电检测器(1)，其中所述时间选通模块(113)和所述读出模块(114b)两者都连接到所述第一光敏设备(111)和所述第二光敏设备(112)两者的阳极。6.根据前述权利要求中的任一项所述的光电检测器(1)，其中所述时间选通模块(113)被配置为借助于包括脉冲的序列的选通信号来激活所述至少一个光敏设备，每个脉冲具有预定的持续时间，所述至少一个光敏设备在该持续时间期间开启。7.根据权利要求6所述的光电检测器(1)，其中所述时间选通模块(113)被配置为将相同的选通信号施加到所述第一光敏设备(111)和所述第二光敏设备(112)。8.根据权利要求2和7所述的光电检测器(1)，其中所述时间选通模块(113)被配置为使用所述选通信号从低于其击穿电压到高于其击穿电压调制所述第一光敏设备(111)和所述第二光敏设备(112)两端的反向偏置电压。9.根据前述权利要求中的任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：微型光子设备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：