近红外单光子雪崩信号读取芯片集成设计研究

With the development of science and technology,high speed and high performance NIR single photon avalanche readout chip design becomes a key universal technology conquered by researcher in the field of quantum information,life science,space science and national defense safe . Based on the technology of the single photon detector, The project uses the gate control and sine driver technology to improve the counting rates,and uses difference filter technology to improve the performance of the single photon avalanche readout chip, at last, high speed and high performance NIR single photon avalanche readout chip is developed.The application will overcome the technology of the high speed and high performance,low power consumption,single photon avalanche readout chip and correlation technique,the aim of the project is development of the high speed and high performance NIR single photon avalanche readout chip with independent intellectual property rights.on beharf of the quantum information,life science,space science and national defense and safe etc fields, it provides a noval principle, high speed and high performance NIR single photon avalanche readout chip design method and technology. The research contents include the corrected foudation theory of improving the counting rates of single photon avalanche readout chip;the key technology of chip developments and integration;readout chip experiment,performance analysis and comparative experiment etc.the key performance of readout chip is that the high counting rates is more than 100MHz.

当今科技发展实践表明近红外单光子雪崩高速高性能读取集成芯片技术是量子信息科学、生命科学、空间科学、国防安全等领域亟待解决的一项关键共性技术，属于单光子成像领域重点研究内容。本项目以前期研究提出单光子探测技术为基础，利用正弦门控被动熄灭技术改善其计数率，利用差分滤波技术改善探测性能，继而实现达到高计数、高性能单光子雪崩信号读取集成芯片目的。本次申请项目拟重点解决利用正弦门控和差分滤波术实现高计数率、低噪声、低功耗小型化单光子雪崩读取芯片集成技术，其目标是研制出具有自主知识产权的高计数、高性能单光子雪崩读取芯片集成技术，为量子信息科学、生命科学、空间科学、国防安全等领域的前沿技术和战略高技术提供高计数高性能单光子雪崩读取集成芯片技术。研究内容包括：单光子雪崩读取集成电路的相关基础理论，正弦门控差分滤波芯片电路结构和参数设计，集成芯片实验、性能分析等。芯片主要指标：计数率>100MHz

近红外单光子雪崩高速读取集成芯片技术是量子信息科学、生命科学、空间科学、国防安全等领域亟待解决的一项关键技术，属于单光子成像领域重点研究内容。通过本项目研究，掌握了使用正弦门控技术提高单光子计数率的方法，利用差分技术提高探测性能，进而实现达到高计数、高性能单光子雪崩信号读取集成芯片目的。本项目重点解决利用门控、正弦和差分技术实现高计数速率、低后脉冲概率、低功耗小型化单光子雪崩读取集成芯片的关键技术，研制出具有自主知识产权的高计数、高性能单光子雪崩读取芯片集成技术，为量子信息科学、生命科学、空间科学、国防安全等领域的前沿技术和战略高技术提供高计数高性能单光子雪崩读取集成芯片技术。通过本项目研究掌握了单光子雪崩读取集成芯片的相关基础理论，芯片核心技术和芯片集成技术，完成集成芯片实验、性能分析。通过本项目研究，小型化单光子集成探测器的计数率达到了1GHz，实现了基于小型化集成芯片的自由运行单光子探测器，另外研究了高计数率条件下的时间抖动特性的影响规律。.本项目通过自主研制的双APD近红外单光子光电探测器件，提出了平衡双差分雪崩信号提取方法，通过第一级差分提取雪崩信号，然后通过第二级与相位相反的正弦衰减信号差分后进一步提高雪崩信号的信噪比，实现了门控重复频率达到400MHz的水平，实验中将探测器制冷到236K，经过实验测量的量子探测效率达到 13.5% ，暗计数率达到10-4 ns-1 。.本项目实现了自由运行的高速单光子探测器。通过对分立器件的芯片集成化设计，有效减小了寄生电容，验证了反馈熄灭集成电路能够快速实现对雪崩信号的熄灭，与门控方式相比，这种集成芯片能够有效减小雪崩期间势阱捕获的电荷数，从而减小了后脉冲效应的影响，获得了较低的暗计数率性能。.通过对1GHz正弦门控探测器测试，时间抖动最小能够达到93ps，此时量子探测效率达到 21.4% ，暗计数率达到2.08×10−5ns-1，等效噪声功率谱密度达到2.06×10−16 W/Hz1/2，后脉冲计数概率达到7.11%，实验测试表明后脉冲概率最小能够实现小于5%的水平。