基于APD的光电探测器电路研究与设计

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广东工业大学-基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究

广东工业大学-基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究
摘 要
摘 要
随着高度信息化的到来, 信息交换 的安全性变得越来越重要,目 前的保密通 信使用的是经典密钥, 窃听者 可以复制或窃取经典密钥而不被发现 ,从严格意义 上 来讲并不是十分安全的。 而量子保密通信体制的最大特点就是安全. 其安全性 是由量子力学的基本原理— 测不准原理和单光子不可克隆原理所保证 的, 在量
广东工业大学硕士学位论文
关键词: 量 子保密 通信; 雪崩光电 二极管; 单光子探测; 半导 体制冷; 雪崩 抑制
A b s t r a c t
Wi t h t h e a r r i v a l o f h i g h l y i n f o r m a t i o n a l i z e d a g e , t h e s e c u r i t y o f i n f o r m a i t o n e x c h a n g e b e c o m e s m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t . C l a s s i c a l k e y i s u s e d i n p e r s e n t s e c u r i y t c o m m u n i c a t i o n . S n o o p e r c a n m a k e d u p l i c a t e o r s t e a l t h e c l a s s i c a l k e y w i t h o u t b e i n g d i s c o v e r e d . S o t h i s t r a d i t i o n a l e n c yp r t i o n i s n ' t s a f e e n o u g h . T h e g r e a t e s t a d v a n t a g e o f q u a n t u m s e c u r i y t c o mm u n i c a t i o n s y s t e m i s t h e s e c u r i y t . I t i s b a s e d o n t h e q u a n t u m me c h a n i c s a n d c r y p t o g r a p 勿,t h e s e c u r i t y i s g u a r a n t e e d勿 t h e b a s i c q u a n t u m p r i n c i p l e -H e i s e n b e r g ' s u n c e t r a i n y t p r i n c i p l e a n d t h e q u a n t u m n o n c l o n i n g p r i n c i p l e N 曲。 勿c a n e s c a p y o f t h e l e g a l u s e r s . A t p r e s e n t , t h e e x p e r i me n t a n d r e s e a r c h o f q u a n t u m s e c u r i y t c o m mu n i c a t i o n h a v e a l r e a d y b e e n d e v e l o p e d a t f u l l s p e e d . T h e e r s e a r c h c o n t e n t s i n c l u d e t h e t e c h n o l o g y o f s i n g l e - p h o t o n s o u r c e , q u a n t u m c o d e , q u a n t u m i n f o r m a t i o n d e l i v e r s , a n d s i n g l e p h o t o n d e t e c t i o n e t c . N e a r - i n r f a r e d s i n g l e p h o t o n d e t e c t i o n i s o n e o f t h e k e y p r o b l e m s o f r e a l i z i n g t h e q u a n t u m s e c u r i y t c o m m u n i c a t i o n . D o m e s t i c e r s e a r c h i n t h i s a s p e c t i s s t i l l r e l a t i v e l y b a c k w a r d t o f o r e i g n c o u n t r i e s . T h e p u r p o s e o f t h i s a t r i c l e i s i n o r d e r t o d e s i g n a k i n d o f s t e a d y , h i g h - e f f i c i e n t a n d l o w n o i s e s i n g l e - p h o t o n d e t e c t o r s y s t e m b a s e d o n t h e c h a r a c t e r o f c o m me r c i a l l y a v a i l a b l e a v a l a n c h e p h o t o d i o d e s ( A P 功, a n d d o s o m e p r e v i o u s t e c h n i c a l r e s e a r c h . Ar t i c l e i n t r o d u c e s t h e b a c k g ou r n d a n d m e c h a n i s m o f q u a n t u m c r y p t o g r a p h y , a n d t h e d o m e s i t c a n d i n t e r n a t i o n a l e r c e n t r e s e a r c h . W e h a v e a n a l y z e d t h e el r a t i v e m e r i t s a n d d e v e l o p m e n t o f s i n g l e p h o t o n d e t e c t o r s . T h e s p e c i a l o p e r a i t o n p r i n c i p l e a n d s e v e r a l k i n d s o f w o r k p a t e n r s o f A I D i n s i n g l e - p h o t o n d e t e c i t o n a r e i n r t o d u c e d h e r e . I n t h i s t h e s i s w e h a v e a n a l y z e d a n d e r a l i z e d t h e s i n g l e - p h o t o n p u l s e o u t p u t b y f i b e r o p t i c c o u p l e r w i t h a t e n u a i t o n m e t h o d . We h a v e ma d e a n o v e r a l l d e s i g n t o t h e s i n g l e - p h o t o n d e t e c t i o n s y s t e m i n c h a p t e r t h r e e , i n c l u d i n g h i g h - e f f i c i e n t l o w r i p p l e d i r e c t c u r e n t b i a s v o l t a g e o f A P D , t e m p e r a t u e r - c o n t r o l l e d s y s t e m s , d e s i g n i n g o f c o n s t a n t t e m p e r a t u r e c a v i y t , u l t r a s h o t r p u l s e f r o m c a b l e a n d s i n g l e p h o t o n s i g n a l d i s i t n g u i s h t e c h n o l o g y . We h a v e t e s t e d s o m e k i n d s o f A I D o f d i f e r e n t c o m p a n y a n d h a v e a n a l y z e d t h e i r t e m p e r a t u r e , g a i n a n d n o i s e c h a r a c t e r i s t i c i n c h a p t e r f o r. u We f o u n d t h a t t h e E p i t a x x - A P D h a s a g o o d a v a l a n c h e - g a i n c h a r a c t e r i s t i c , s o t h i s k i n d o f A P D i s v e y r s u i t a b l e f o r

s APD光电探测器的研制的开题报告

s APD光电探测器的研制的开题报告

10Gb/s APD光电探测器的研制的开题报告一、研究背景随着数字化进程的加速和云计算、大数据、物联网等新兴技术的快速发展,对高速、高精度的数据传输和通信技术的需求不断增加。

光电探测器因具有高速、低噪声、低失真等优点,在光通信、光纤传感等领域应用十分广泛,已成为光电子器件研究领域的热点之一。

在高速光通信系统中,光电探测器被广泛应用于光接收端,它能将光信号转换成电信号并输出到下游电路中,起到重要的作用。

由于数据传输速率的不断提高,对光电探测器的性能要求也越来越高。

当前市场上主流的光电探测器速率已经达到了40Gb/s,但其制造工艺较为复杂,成本较高,阻碍了其广泛应用。

因此,研究10Gb/s APD光电探测器,不仅可以满足当前市场需求,还能减少制造成本,具有很高的研究价值和应用前景。

二、研究内容和方法本研究旨在开发一种基于APD技术的10Gb/s光电探测器,具有高速、低噪声和低失真等性能优势。

研究内容如下:1. 研究APD光电探测器的基本原理,分析其性能特点和优缺点。

2. 研究APD光电探测器的设计方法和制作工艺,包括器件结构设计、加工工艺、材料选择等方面。

3. 利用工艺流程和设备,制备出基于APD技术的10Gb/s光电探测器原型样机。

4. 针对原型样机进行性能测试和评价,分析其电路性能、噪声特性、速度响应等方面。

5. 基于原型样机的测试数据研究其应用性能在光通信等领域中的实际应用前景,并给出相应的改进建议。

本研究采用理论分析、仿真建模、器件制备和性能测试等多种研究方法相结合,以保证研究的全面性和可靠性。

三、研究意义本研究通过设计、制备和测试APD光电探测器原型样机,填补了我国10Gb/s光电探测器制备的空白,具有以下研究意义:1. 探索了一种新的高速光电探测器制备方法,为我国光电子器件领域打开了新的研究方向。

2. 实现了在10Gb/s级别下的光电探测器制造,满足了当前市场需求,具有广阔的应用前景。

3. 在材料、工艺等方面进行了创新性的研究和改进,为以后光电探测器的制作提供了重要的技术基础和经验。

APD微弱光电信号探测技术研究的开题报告

APD微弱光电信号探测技术研究的开题报告

APD微弱光电信号探测技术研究的开题报告
一、选题的背景和意义
随着现代科技的发展,光电探测技术在各领域中的应用越来越广泛。

尤其是在弱光信号探测方面,其在军事、医疗等领域的应用尤为重要。

其中,APD微弱光电信号探测技术是一种常用的弱光信号探测技术,具有灵敏度高、噪声低等特点。

因此,对于APD微弱光电信号探测技术的研究与探索,对于推进相关领域的科技发展和对于国家的国防建设等具有重要意义。

二、选题的研究现状和问题
目前,APD微弱光电信号探测技术已经被广泛应用于各个领域,例如激光测距、红外夜视、高能物理实验等。

虽然该技术具有很多优点,但其在应用过程中也存在一些问题。

比如,受到器件本身噪声和暗电流等因素的影响, APD微弱光电信号探测技术的灵敏度会受到一定的限制。

因此,在实际应用中,需要针对这些问题进行深入的研究和探索。

三、选题的研究内容和方法
本次研究拟对APD微弱光电信号探测技术的相关问题进行研究和探索。

研究内容主要包括如何提高APD微弱光电信号探测技术的灵敏度、如何降低器件本身的噪声和暗电流等。

研究方法主要通过理论分析、数值模拟和实验测试等方法来探究这些问题。

四、预期结果和意义
通过本次研究,我们希望能够解决APD微弱光电信号探测技术在实际应用中所面临的问题,提高该技术的灵敏度和探测精度。

同时,该研究可为国家的国防建设、医疗诊断和科学研究等领域提供技术支持和参考,对于推进我国相关领域的技术进步和发展,具有重要意义。

一种光电探测器电路的设计

一种光电探测器电路的设计

一种光电探测器电路的设计胡红光(中国兵器工业第214研究所,安徽蚌埠233042)【摘要】简介一种以锗雪崩光电二极管(APD)为光电转换器件的探测器电路的工作原理,详细介绍电路各组成部分的设计要求和设计要点。

该电路可用于光学测距和微弱光的探测装置。

【关键词】光电探测器;光电转换;电路;放大;设计概述光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。

对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同,与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。

通常光电器件的用途主要有两种:一种是用来探测光的存在以及测量光的强弱,称之为辐射探测器,主要考虑的是器件探测微弱光的能力;另一种是用来进行光电转换的,考虑的是器件的光电转换效能。

这里介绍探测器电路与锗雪崩光电二极管(ABD)配合使用。

该探测器用来接收一定波长的光脉冲信号,经电路处理后,形成测量时间间隔的电脉冲信号,主要用于激光测距装置。

在保证被测目标物体距离范围时,要求光电器件有宽的动态响应范围。

1 电路工作原理该探测器将入射的光脉冲信号经雪崩光电二极管转变成微弱的电流信号,再经过取样放大、处理和整形后输出电脉冲信号。

原理框图如图1所示。

该探测器电路的放大电路为小信号、窄脉冲放大器。

为便于各级放大器间的电平匹配,避免工作点的漂移,各级放大电路间采用电容器交流耦合方式。

为了保证该探测器电路能测量较大范围距离的目标,减小固体障碍物如尘埃等颗粒对激光的漫反射而造成误测的可能性,该电路设计中增加了增益控制电路。

当被测目标较近时,入射到光电管的光信号强,这时可控制探测器增益变小;反之,可控制其增益变大。

其输入控制信号为TCA,该控制信号为电平信号,输入范围为0~Vccl。

由于雪崩光电二极管、晶体管和阻容固有的噪声经过放大后,会对电路的输出造成误动作,因此在放大电路的未端设计了门槛电路,用以将噪声滤掉。

为了避免供电电源尖峰脉冲电流对光电信号检测带来误差,电源输入端采用LC滤波,能有效抑制尖峰脉冲电流的干扰。

基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究

基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究

基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。

基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。

然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。

单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。

研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。

本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。

主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。

设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。

对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。

利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。

改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计近年来,随着科技的不断进步和发展,医学成像技术起到了越来越重要的作用。

其中,X射线成像技术是一种常用的非侵入性检测方法,被广泛应用于医学和工业等领域。

X射线单光子探测电路是一种新型检测电路,能够实现对单个X射线光子的高灵敏度探测,为X射线成像技术提供了新的思路。

本文对于一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路进行设计并制作。

首先,介绍了Si-APD材料的基本性质,包括其结构、工作原理以及输出信号等方面。

然后,针对Si-APD器件的特点进行研究,设计了一种适用于Si-APD器件的前置放大电路。

该电路能够对Si-APD器件输出信号进行放大和滤波,以便实现对单个X射线光子的检测和计数。

接着,对于整个电路进行系统仿真和设计优化。

通过分析电路中各个元件的参数,得到了电路的最优设计方案。

在电路实现方面,我们采用了基于PCB板的设计方式,通过专业的PCB设计软件进行设计,并在实验室中进行了实验验证。

实验结果表明,该X射线单光子探测电路具有高灵敏度和高精确度的特点,能够在非常低的噪声干扰下实现对X射线光子的检测和计数。

同时,在实验中能够得到精确的计数结果,并得出了正常工作范围内的重要性能指标,包括增益、计数速率和能量分辨率等。

本文的研究成果对于提高X射线成像技术的检测效率和精准度具有重要的意义。

随着科技不断进步和发展,X射线单光子探测电路在医疗、工业和科学等领域的应用前景将会更加广阔。

未来,随着医学影像技术的发展,X射线成像技术将得到进一步的升级和改进。

在这一过程中,X射线单光子探测电路的应用将更加广泛。

一方面,在医学领域中,X射线成像技术被广泛应用于疾病诊断和治疗监测等方面。

单光子探测电路的应用将极大地提高这些检测技术的灵敏度和准确性。

另一方面,X射线成像技术在工业和科学领域中也具有广泛的应用。

例如,被广泛应用于材料成像、无损检测、金属检测等方面,以及晶体学、物理学中的研究。

基于APD激光窄脉冲探测系统的研究

基于APD激光窄脉冲探测系统的研究

基于APD激光窄脉冲探测系统的研究崔一惟;贺伟【摘要】The laser narrow pulse detection system is mainly composed of transmitting and receiving parts. Since low⁃power laser narrow pulse signal is weak,it is urgent to improve the optical gain and the detection efficiency. The traditional method is to select a sensitive photoelectric detection device to solve the problem by amplifying circuit. The avalanche diode with internal gain is adopted in this paper as a photosensitive element. On the basis of this,the optical system is added to conduct amplifica⁃tion processing before detection,which can improve the efficiency of detection effectively.%激光窄脉冲探测系统主要是由发射和接收两部分组成,小功率的激光窄脉冲信号比较微弱,所以提高光增益增加探测效率是亟待解决的。

传统的解决手段是选择灵敏的光电探测器件,后续经过放大电路进行解决。

这里采用具有内部增益的雪崩二极管作为光敏元件,在此基础上增加光学系统,使探测前就进行放大处理,进而有效地提高探测效率。

【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P135-138)【关键词】激光探测;APD;温控系统;光学系统【作者】崔一惟;贺伟【作者单位】西安邮电大学,陕西西安 710061;西安邮电大学,陕西西安710061【正文语种】中文【中图分类】TN312+.7-340 引言随着1960年第一个红宝石激光器的诞生,相应的激光探测技术也越来越受人们的关注与研究,激光测距、激光雷达、激光制导等国防级应用都离不开窄脉冲激光探测技术[1]。

基于ADL5317的APD偏压控制光功率监测电路的设计

基于ADL5317的APD偏压控制光功率监测电路的设计

1 引言目前,雪崩光电二极管(APD)作为一种高灵敏、能精确接收数据和测量光功率的光探测器件广泛应用于光纤传感、光纤通信网络中。

它借助于内部强电场作用产生雪崩倍增效应,具有极高的内部增益(可达102~104量级)。

然而,APD随温漂的变化严重影响其增益的稳定性.甚至引起测量精度的恶化。

理论上可以证明APD的增益是其偏压V和温度T的函数,二者共同决定APD工作时的增益,而且在维持APD增益比较恒定的条件下,其偏压和温度之间存在一定的关系。

因此。

可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变。

这样就可以维持APD增益基本恒定,保证其正常工作。

这就是对APD温度漂移的偏压补偿原理。

由此可知.施加在APD上的偏置电压必须能够精确受控是保证光纤系统性能的首要要求。

本文针对该要求。

采用ADL5317器件。

给出了一种具有高精度、宽动态范围的APD 偏压控制/光功率监测功能的核心电路。

2 引脚排列及功能ADL5317是ADI公司率先在业界推出的一款片上集成雪崩光电二极管(APD)偏置电压控制和光电流监测功能的器件。

ADL5317的主要特性如下:通过3V线性偏置控制电路,在6 V~75 V范围内精确设置雪崩二极管(APD)偏置电压;在106范围(5 nA一5 mA)内以5:1的比率监测光电流,其线性误差仅为0.5%;允许使用固定的高电压转换电路,降低传统APD偏置设计中对电源解耦和低通滤波的要求;过流保护和过热保护。

ADL5317采用3 mm*3 mm的16引脚LFCSP封装,其引脚排列如图1所示。

各引脚功能描述如表1所列。

3 内部结构及工作原理ADL5317的内部结构如图2所示。

其内部包括电流监测电路、偏置控制电路、GARD 电路、VCLH电路、过流和过热保护电路。

3.1 电流监测电路ADL5317的核心部分是一个具有电压跟随性质的精密电流衰减电路,为监测电路输入端提供精确偏置。

该电路采用了结型场效应管输入形式的放大器.驱动监测电路的两极,同时保持V APD端电压的稳定度及非常低的漏电流。

基于apd光电二极管的光电转换电路研制

基于apd光电二极管的光电转换电路研制

引言:光电二极管可以将接收到的光信号转化为电信号,其性能有多种表征方式,例如光电响应度、暗电流、有效频率区间等,根据其功能和应用的不同特点,不同类型的光电二极管都有各自的应用范围。

较为常见的两种光电二极管为PIN 型和APD 型光电二极管,其中PIN 型光电二极管是在PN 结中间加入了一个I 极,能够实现电子和空穴扩散并激发光子的作用,APD 型光电二极管的特点是具有电流放大作用,能够将微弱光信号通过电子雪崩效应转换为较强的电流输出,因此对于微弱光信号的检测,常使用APD 型光电二极管进行光电信号转换。

APD 型光电二极管的驱动技术较为成熟,需要注意的是不同类型的APD 光电二极管会根据厂家的封装而导致偏置电压的不同,通常其偏置电压会在数据手册中给出,设计人员需要根据手册中的信息进行驱动电源电路的设计。

本文采用的APD 型光电二极管检测范围为800-1700nm,响应度为0.9A/W,接口为带尾纤的FC/APC 型接口,适用于各类微弱光信号转换系统,本文设计的电路用于气体检测实验系统。

因此本文针对APD 光电二极管开展相关测试实验,并通过噪声抑制的方法,设计并制作可以提取微弱光信号的检测器电路,为光电检测领域的工作提供参考。

一、光电噪声抑制项目中使用的APD 光电二极管需要较高的偏压才能够工作,根据器件的测试手册,开展了实验测试,使用39V 电压作为偏压,测试的结果如图1所示。

图中可见,信号耦合了大量噪声,这对于高速光电信号转换是不利的,因此需要进行噪声去除工作。

系统中首先更换了供电电源电路,使用噪声较低的线性稳压电源替代之前的开关电源,这对于电源纹波造成的噪声抑制是十分必要的。

其次系统中使用了低通滤波电路,有效去除了部分高频噪声。

最后,系统中使用了差分电路,可以使用参考通道进行差分处理,可以进一步去除系统噪声。

图1耦合噪声信号的光电转换信号示波器截图二、光电信号转换实验对研制电路进行光电信号转换测试实验,以1550nm 的近红外脉冲信号作为输入光源,信号频率为270Hz,使用示波器进行截图,测得的信号如图2所示。

室内可见光通信APD探测电路的设计与实现

室内可见光通信APD探测电路的设计与实现
Gu o Qi a n 一 , L a n T i a n , Z h u Qi 。 , Ni Gu o q i a n g
( 1 . Co l l e g e o f Op t o — E l e c t r o n i c , Be i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y, Be i j i n g 1 0 0 0 8 1 , C h i n a
p r i n c i p l e o f he t APD d e t e c t i n g c i r c u i t w a s d e s c ibe r d. Se c o n d l y, a d e t il a e d d e s i g n a n d a n a l y s i s o f he t s y s t e m s t r u c t u r e a n d he t i r f u n c t i o n o f t h e c i r c u i t c o mpo n e n t s wa s p r e s e n t e d.Fi n a l l y,a d e t e c t i n g c g n a n d i mp l e me nt a t i o n o f i n d o o r v i s i bl e l i g ht
c o m m un i c a t i o n a v a l a n c h e p h o t o d i o de de t e c t i n g c i r c ui t
郭 倩1 , 2 , 蓝 天 , 朱 祺。 , 倪 国强
( 1 . 北京理 工 大 学 光 电学 院 , 北京 1 0 0 0 8 1 ;

单光子apd阵列探测器读出电路的关键技术研究

单光子apd阵列探测器读出电路的关键技术研究

ABSTRACTRecently, the requirements of ranging resolution, circuit area and power consumption have been gradually improved in close range laser 3D imaging system. Avalanche photodiode (also called single-photon APD) operating in geiger-mode, has a quick response to a single photon, and its readout circuit features on low noise, so it has a great advantage in high precision large-scale array detection.Based on single-photon APD array detector, two front end unit readout circuits applying to laser ranging in 3D imaging have been designed in this paper. According to the ranging principle of time-of-flight (TOF), the unit circuit consists of active quenching circuit (AQC), time-to-digital converter (TDC) and corresponding timing control circuit. In both two designs, AQC can quench APD in an active way within 1 ns, and it realizes an adjustable hold-off time of 3.5-5 ns after quenching. Besides, it can reset APD automatically. In the first design, TDC adopts a two-segment coarse-fine architecture to manage a trade-off between clock frequency and temporal resolution using interpolation technique. The clock frequency has been reduced to 1 GHz, which is one fifth of the conventional design frequency. The temporal resolution is 75 ps, and its corresponding ranging resolution is 1.125 cm, achieving a high precision. The circuit area is 95×95 μm2, and the power consumption is 1.08 mW. In the second design, the circuit structure has been enhanced and optimized on the basis of the original design. The clock frequency is 500 MHz, and the temporal resolution is 200 ps, indicating a ranging resolution of 3 cm. The circuit area is less than 50×95 μm2, and the power consumption is 0.89 mW, having the advantages of small area and low consumption.The projects have been designed with SMIC 0.18 μm 1.8 V CMOS process. Layout post-simulation results show that two schemes can meet their design requirements well. However, there are different degrees of time jitters in both two TDCs. The last part of the paper discusses the causes and provides the corresponding solution.KEY WORDS:Single-photon APD array detector, Laser 3D imaging, Readout circuit, TDC circuit目录摘要 ...............................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................................... II 章第1绪论 (1)1.1论文的研究背景 (1)1.2单光子APD探测器及读出电路概述 (2)1.2.1单光子APD探测器概述 (2)1.2.2单光子APD阵列探测器读出电路概述 (6)1.2.3单光子APD阵列探测器激光3D成像国内外发展概述 (7)1.3论文的选题意义和内容 (13)1.3.1论文的选题意义 (13)1.3.2论文的内容结构 (14)章第2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (15)2.1单光子APD阵列探测器激光测距系统指标分析 (15)2.2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (16)2.2.1AQC电路的基本结构及选取 (17)2.2.2TDC电路的基本结构及选取 (18)2.3单光子APD阵列探测器读出电路时序 (21)2.4本章小结 (22)章第3高精度单元读出电路的设计与仿真 (23)3.1 AQC电路的设计与仿真 (23)3.1.1AQC电路的设计 (23)3.1.2AQC电路的仿真 (24)3.2粗TDC电路的设计与仿真 (25)TDC电路的整体设计 (25)3.2.13.2.2LFSR电路的设计 (27)3.2.3LFSR电路的仿真 (29)3.3细TDC电路的设计与仿真 (30)3.3.1延时线型TDC电路的设计 (30)3.3.2TDC电路的仿真 (32)3.4本章小结 (36)第4小型化单元读出电路的优化与仿真 (37)章4.1单元读出电路架构的优化 (37)4.2粗TDC的优化与仿真 (38)粗TDC结构的优化 (38)4.2.14.2.2优化后的粗TDC仿真结果 (41)4.3细TDC的优化与仿真 (42)延时链的设计与优化 (42)4.3.14.3.2D触发器和多路选择器的设计与优化 (43)4.3.3优化后的TDC仿真结果 (44)4.4本章小结 (47)章第5版图设计与后仿真分析 (49)5.1版图设计 (49)5.1.1版图设计注意事项 (49)5.1.2单元读出电路的版图设计 (50)5.2版图的后仿真 (52)5.2.1高精度单元读出电路的后仿真 (52)5.2.2小型化单元读出电路的后仿真 (55)5.3单元读出电路的改进方案 (60)5.4本章小结 (65)章第6总结与展望 (67)6.1总结 (67)6.2展望 (68)参考文献 (69)发表论文和参加科研情况说明 (73)致谢 (75)绪论第1章1.1论文的研究背景一直以来,激光测距技术是发展激光雷达、激光追踪、扫描成像、测速、多普勒成像等技术的重要基础,在军事和民用领域都有着举足轻重的地位。

基于APD的弱光信号探测系统设计及相关特性研究

基于APD的弱光信号探测系统设计及相关特性研究

随着光电检测技术的发展及现代化进程的不断推进,光电检测技术的应用领域将越来越广.将广泛应用于工业、农业、家庭医学、军事和空间科学技术等许多科学领域,并为现代天文学,航空航天,分子生物学、现代医学、环境和生态等新科技的建立和发展提供基础, 而且为现代大工业、现代农业、现代文化事业的大发展也做出不可低估的贡献。

本文是对基于APD的微弱光信号探测系统的设计与研究,采用APD作为光电探测器。

光电接收器采集数据,经过信号处理电路,模数转换电路传给单片机,单片机通过串口与PC通信,具有测量速度快、体积小、重量轻的优点,适合在线和户外工作。

本设计内容主要有:分析APD的相关特性并设计光学系统;设计直流偏压电路、半导体制冷系统和输出信号处理电路;设计A/D转换电路;设计下位机与上位机串行通行接口电路及部分程序,整个系统具有较高的响应速度和较强的抗干扰性等。

关键词:雪崩二极管;放大电路;半导体制冷器;A/D转换;串口通信With the continuous advance of the photoelectric detection technology development and modernization process, the areas of application of the photoelectric detection technology will be more widely. It will be widely used in many fields such as agriculture, family medicine, military and space science technology, and modern astronomy, besides it provides the basis for the establishment and development of new technology in aerospace, molecular biology, modern medicine, the environment and ecology, and it makes a great contribution for the development of modern industry, modern agriculture, modern culture that can not be underestimated. This article is based on APD the weak optical signal detection system design and research ,as the photoelectric detector, using Avalanche Photo Diode, the photo electronic receivers collect data, amplified circuit, chip microcontroller, pass through serial communication with the PC, not only improve measuring speed, small volume and light weight, suitable for online and field work.The design elements are: analysis characteristic parameters of APD and optical system design; design APD bias voltage circuit and semiconductor cooling system and output signal processing circuit; design of A /D converter; design with lower computer PC serial communication interface circuit and part of the program; the entire system has a high response speed and strong anti-interference, etc.Keywords:Avalanche Photo Diode; Amplifier Circuit; semiconductor cooling; analog-digital conversion; serial communication目录摘要Abstract第1章绪论 (1)1.1 光电探测器的发展概述 (1)1.1.1 光电探测器的发展历史 (1)1.1.2 光电探测器的国内外研究现状 (1)1.2本课题研究的主要内容 (4)第2章总体方案 (5)2.1 总体设计思路 (5)2.2 功能模块简介 (6)第3章光电探测器及相关特性 (8)3.1 光电探测器 (8)3.2 几种常用的弱光信号探测器 (8)3.3 APD探测器 (10)3.4 APD相关特性 (11)3.4.1 量子效应与响应度 (11)3.4.2 暗电流 (12)3.4.3 倍增因子M (12)3.4.4 过剩噪声 (13)3.4.5 信噪比 (13)第4章硬件设计 (15)4.1 APD直流偏压源 (15)4.2 APD恒温控制系统 (16)4.2.1 半导体制冷原理 (17)4.2.2 水冷型半导体制冷腔 (17)4.2.3 基于单片机的温控系统 (18)4.3 前置放大电路 (21)4.4 滤波电路 (21)4.5 主放大电路 (23)4.6峰值保持电路 (23)4.7 A/D转换 (24)4.7.1 ADC0809引脚及功能 (24)4.7.2 ADC0809与单片机连接及控制方式 (25)4.8 MC-51单片机 (26)4.9 MCS-51与PC机的通信 (27)4.9.1 RS-232接口标准及电平转换电路 (27)4.9.2 串行口的特殊功能寄存器 (29)4.10 微弱光 (31)第5章总结与展望 (32)5.1 总结 (32)5.2 展望 (33)参考文献 (34)致谢 (36)附录一 (1)附录二 (2)浙江理工大学本科毕业设计第1章绪论1.1 光电探测器的发展概述随着科学技术技的发展,光电信息技术的发展,人们开始注重对微弱光信号的探测与研究。

光电探测器调研报告

光电探测器调研报告

光电探测器的原理及国内外研究现状学生姓名: _____________ 学号:__________________ 院(系): _____________ 专业: ____________________光电探测器的原理及国内外研究现状摘要概述了光电探测器的分类和基本原理,并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状,预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景。

关键词:光电探测器;硅基雪崩光电探测器;激光雷达Principle and Research Statue at Home and Abroad of photoelectricdetectorAbstractDescribed the basic principle and assortment of the photoelectric detector. The domestic and abroad research statue from the aspects of material selection and device main applications is summarized. At last the application prospects of silicon-based avalanche photodetector are predicted, such as research on military and laser radar.Keywords: phoroelectric detecto; r silicon-based avalanche photodetect; orlaserradar1引言光电探测器的发展历史比较悠久,已有上百年的研究历史。

由于这种器件在军事和民用中的重要性,发展非常迅速。

随着激光与红外技术的发展,材料性能的改进和制造工艺的不断完善,光电探测器朝这集成化的方向发展。

基于APD的光电探测器电路研究与设计

基于APD的光电探测器电路研究与设计

基于APD 的光电探测器电路研究与设计光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。

对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同,与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。

如果用来进行光电转换,则重点考虑的是器件的光电转换效能和匹配方式。

这里介绍一种用雪崩光电二极管(APD)与光电探测器电路匹配使用的最佳方法。

针对如何提高光电信号前置放大器信噪比这一关键问题,进行了分析和实践。

在设计电路过程中,除了电路结构的考虑外,对工艺的考虑也是必须的。

由于电路结构设计、工艺设计考虑周全,设计的光电探测器电路信噪比高。

这里还介绍通过用自制的噪声发生器对光电探测器电路进行定量的分析,测算出探测器的增益和信噪比。

该研究是设计满足各种光电信号转换电路的一个重要步骤。

1 器件的选择1.1 提高APD 的光电转换效能雪崩光电二极管(AualanchePhoto Diode,APD)的光电转换效能主要是对信号有倍增作用,它比一般光电二极管的功率电平所产生的响应高几十或几百倍。

倍增与偏压有关,反偏压越大,倍增G 也越大,如图1 所示。

一旦电压达到某个值,APD 会被击穿,此电压就是雪崩电压VB。

设置APD 的工作点一般略小于VB,如图2 所示。

未调制时,由平均光通量P0 所产生的散粒噪声引起的电流波动Ic 可表示为:由于热噪声和放大器内部产生的噪声引起的电流波动Ib 为:对噪声源模型的特征和噪声进行分析。

当信号光强度取最大振幅值Pmax 时,电流值Jsmax 为:利用这些公式可以计算由光信号变换成电信号时的信噪比为:因为光电检测器内部阻抗很大,可看作电流源,所以若检测器的负载阻抗大的话,则Ib2 就下降,结果使得SNR 增加,所以一般负载电阻取得较大,但不能太大。

若加大负载电阻,则放大器输入端的时间常数CR 对频带的限制增强,高频信号成分受到抑制,而这两方面的需求却是互相制约,互相矛盾的。

基于APD的光通信探测系统设计与性能测试

基于APD的光通信探测系统设计与性能测试

基于APD的光通信探测系统设计与性能测试郝世聪;张磊;常帅;于笑楠;江伦【摘要】提出了一种宽带宽的基于雪崩光电二极管(APD)的光通信探测系统,能够在不同的通信速率下仍然保持较高探测灵敏度.探测系统包含温控单元、偏压控制单元、光电流监测单元、数据时钟恢复单元等,充分保证了系统的探测性能.设计验证方案并搭建了实验平台对所设计的探测系统进行了性能测试.实验验证结果为:在偏压为-70V,通信速率为10Mbps~2000Mbps时,系统的探测灵敏度为-47dBm~-34dB;而当给APD提供的偏压在55V~70V范围内逐渐增大时,系统探测灵敏度在10Mbps、100Mbps、1000Mbps三种速率下分别提升了5.8dB、6.4dB、7.9dB.实验结果表明,所设计的APD探测系统能够为自由空间光通信探测系统的性能优化提供一个切实有效的方案.%A wide bandwidth optical communication detection system based on avalanche photodiode(APD)is pro-posed,which can maintain high detection sensitivity at different communication rates. A series of functional units are used to ensure the detection performance of the system,such as temperature control unit,bias control unit,photocur-rent monitoring unit,data and clock recovery unit and so on. And we also designed a verification scheme and built an experimental platform to test the performance of the detection system. The experimental results are as follows:When the bias voltage is -70V,with the communication rate varying from 10Mbps to 2000Mbps,the detection sensitivity of the APD detection system changes from -47dBm to -34dB;While the bias voltage supplied to APD increases from 55V to 70V,the detection sensitivity is promoted greatly at three different communication rates:10Mbps,100Mbps and1000Mbps,and the corresponding growth is 5.8dB、6.4dB and 7.9dB respectively. The experimental results show that the APD receiver designed in this paper can provide a practical and effective scheme for the performance optimiza-tion of the free space optical communication detection system.【期刊名称】《长春理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2018(041)001【总页数】5页(P8-12)【关键词】宽带宽;APD;光通信探测系统;通信速率;探测灵敏度【作者】郝世聪;张磊;常帅;于笑楠;江伦【作者单位】长春理工大学空间光电技术研究所,长春130022;长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,长春130022;长春理工大学空间光电技术研究所,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN929.1自由空间光通信是一种以激光为载波的数据传输方式,在长距离传输中,由于光信号在大气传输过程中的损耗比较大,光通信探测系统需要解决接收信号功率小、信噪比低等问题。

单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏压源设计

单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏压源设计

单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏
压源设计
1 引言
 单光子探测是一种检测极微弱光的方法,在近红外波段,雪崩光电二极管(APD)是探测极微弱光的主要器件之一。

APD是一种能实现光电转换且具有内部增益的高灵敏度光电探测器,其工作电压不高,噪声相对较小,非常适合极微弱光信号(如单个光子信号)的探测。

 由于单光子探测是在高技术领域的重要地位,他已经成为各发达国家光电子学重点研究的课题之一。

在量子密钥分发、天文测光、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线形光学、光时域反射等现代科学技术领域中,都涉及到极微弱光信号的检测问题。

在量子密钥分发系统中,量子信息的载体是单光子,如何将携带信息的单光子探测出来是实现量子密钥分发的关键。

APD是实现单光子探测的核心器件。

在单光子探测器设计中,为了开发APD的极限灵敏度,APD必须置于反向偏压(Vb)稍高于雪崩击穿电压(Vbr)之上,即所谓的盖格(Gerger Mode)模式下工作,使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT,才能达到较高的探测效率。

然而在盖格模式时,APD的雪崩增益M不仅与环境温度T还与其直流偏压Vb的大小密切相关。

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计

基于APD的气体拉曼单光子探测器设计张超;王晓荣;许新岳;程聪聪【摘要】根据拉曼散射光的特点,选用一种由硅雪崩光电二极管( APD)组成的多像素倍增器件作为光电转换器,设计了一套单光子探测器。

为降低探测过程的噪声,探测器部分设计有低纹波偏压、恒温控制和快速雪崩抑制模块。

并配有用于雪崩特性研究的测试模块,并通过调整电路参数优化探测性能。

测试结果表明:探测器具有响应灵敏度高、分析速度快、体积小巧、功耗低等特点,适合在气体拉曼分析系统中使用。

%According to the characteristics of Raman scattering light, a silicon avalanche photodiode is used to compose of multi-pixel doubling device as a photoelectric converter. To reduce noise during detecting,the detector has modules of reverse bias supply with low ripple voltage, temperature control and fast avalanche suppression module. Moreover,it owns a test module which is exclusively for the study of avalanche phenomenon,and the perfor-mance is optimized by adjusting circuit parameters. The results indicate that the detector has high detection sensi-tivity,rapid analysis speed,small size and low power consumption,suitable for using in Raman gas analysis system.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)001【总页数】6页(P16-21)【关键词】拉曼散射;硅雪崩光电二极管;单光子;雪崩【作者】张超;王晓荣;许新岳;程聪聪【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京210009【正文语种】中文【中图分类】TP212拉曼光谱技术是一项集合了无损、快速、准确等优势的物质结构探测技术,近年来在晶体材料、医药检疫、宝石鉴定等方面获得快速发展。

光电探测器中的集成电路设计与优化研究

光电探测器中的集成电路设计与优化研究

光电探测器中的集成电路设计与优化研究光电探测器是一种能够将光信号转换成电信号的器件,广泛应用于通信、医疗、测量、安防等行业。

光电探测器的核心部件是光电二极管,而其中的集成电路则是关键因素之一。

本文将就光电探测器中的集成电路设计与优化进行研究,探讨其相关方面。

一、摄像机光电探测器中的集成电路设计在国外生产的大多数摄像机上,都采用CMOS传感器。

CMOS传感器是由数百万个像素组成的敏感电容阵列,在光照下,每个像素上的电容会积累不同的电量,通过转换电路变为电压信号后,再经过原理电路、前端放大电路、输出电路、数字处理电路等各种功能电路,最终输出成一个数字信号,就成为一幅完整的图像。

在光电探测器中,由于数据传输和处理的速度要求较高,集成电路需要支持高速传输,并采用多路复用技术,将多个通道的信号传输到一个数据输出端口,以降低成本和功耗。

此外,为保证光电探测器在不同环境下能够正常工作,集成电路还需要具备防水、防尘、抗震、耐温变和抗干扰等多重功能。

为此,设计者需要通过细致的电路布局和仿真验证,保证集成电路在最恶劣的环境下也能正常工作。

二、光电传感器中的集成电路优化光电传感器中的集成电路存在一些问题,如信号质量低、功耗高等。

因此,需要对集成电路进行优化。

1、信号质量优化。

对于光电传感器来说,信号质量是一个非常重要的指标。

在信号处理过程中,由于噪声等因素存在,可能会对信号质量造成影响。

因此,需要通过优化集成电路,提高信号的质量。

首先,需要对电路进行降噪处理。

在前端放大器电路中加入多次采样和平均滤波器等降噪电路,可以有效提高信号的质量。

其次,在数字处理电路中,提高信号处理的精度和算法的优化,可以进一步提高信号质量。

例如,采用特定的射频算法实现了减少杂散分量,提高感知器分辨率和减少毛刺的调制数据的特性。

2、降低功耗优化。

在光电传感器中,功耗大小也是一个重要的问题。

在实际应用中,为了提高工作效率和增强使用寿命,需要对功耗进行有效的优化。

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计董龙;傅丹膺;龚志鹏【期刊名称】《航天返回与遥感》【年(卷),期】2016(037)001【摘要】X射线单光子探测电路是将入射X射线单光子转换成电信号,进而测量入射光子到达时间和能谱特性的电路,是X射线脉冲星导航的关键技术之一.文章通过分析X射线脉冲星的辐射特性提出了一种基于硅-雪崩光电二极管(Si-APD)的探测电路,Si-APD探测器通过外置偏置高压对入射X射线单光子电离出来的电子进行雪崩放大,偏置电压随着温度的变化自动调节,保证Si-APD增益的稳定性.雪崩抑制电路的作用是对探测器进行复位以探测下一个X射线单光子,文章给出了雪崩抑制电路的工作原理和设计方法,并进一步讨论了在单光子探测应用条件下的前置放大电路和主放大电路设计,合理设计电荷灵敏前置放大器是实现电流电压转换、高增益、低噪声和高时间精度的关键技术,整形带通主放大器作为Si-APD的放大电路,设计合适的带宽和增益可以提高系统信噪比、稳定性、时间分辨率和能谱测量精度.该电路相比于正比计数器、硅漂移探测电路等,具有体积质量较小、可靠性高、造价低廉等优点,可实现高速、高信噪比的X射线单光子探测电路设计.【总页数】8页(P55-62)【作者】董龙;傅丹膺;龚志鹏【作者单位】北京空间机电研究所,北京100094;中国空间技术研究院,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TN202【相关文献】1.一种基于单光子探测器的激光通信方法 [J], 曹蕾;刘尉悦;王潮泽;李凤芝;蒋志迪;彭承志2.基于FPGA的软X射线CCD驱动电路设计 [J], 郝玉婷;韦飞;冷双;李咪咪3.基于SDD的太阳X射线探测器脉冲成形电路设计 [J], 吴军;王怡爽;韦飞;冷双;韩英4.一种基于0.18μm CMOS的X射线聚焦光学信号采集电路设计 [J], 农高海;吴再群5.基于门控制模式的单光子探测电路设计 [J], 周金运;张鹏飞;彭孝东;林清华;廖常俊;刘颂豪因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

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基于APD 的光电探测器电路研究与设计
光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。

对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同,与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。

如果用来进行光电转换,则重点考虑的是器件的光电转换效能和匹配方式。

这里介绍一种用雪崩光电二极管(APD)与光电探测器电路匹配使用的最佳方法。

针对如何提高光电信号前置放
大器信噪比这一关键问题,进行了分析和实践。

在设计电路过程中,除了电路结构的考虑外,对工艺的考虑也是必须的。

由于电路结构设计、工艺设计考虑周全,设计的光电探测器电路信噪比高。

这里还介绍通过用自制的噪声发生器对光电探测器电路进行定量的分析,测算出探测器的增益和信噪比。

该研究是设计满足各种光电信号转换电路的一个重要步骤。

1 器件的选择1.1 提高APD 的光电转换效能雪崩光电二极管(Aualanche
Photo Diode,APD)的光电转换效能主要是对信号有倍增作用,它比一般光电二
极管的功率电平所产生的响应高几十或几百倍。

倍增与偏压有关,反偏压越大,倍增G 也越大,如图1 所示。

一旦电压达到某个值,APD 会被击穿,此电压
就是雪崩电压VB。

设置APD 的工作点一般略小于VB,如图2 所示。

未调制时,由平均光通量P0 所产生的散粒噪声引起的电流波动Ic 可表示为:由于热噪声和放大器内部产生的噪声引起的电流波动Ib 为:
对噪声源模型的特征和噪声进行分析。

当信号光强度取最大振幅值Pmax 时,电流值Jsmax 为:
利用这些公式可以计算由光信号变换成电信号时的信噪比为:。

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