基于高动态时间数字转换器的单光子探测器

第３６卷 第４期

吉林大学学报（信息科学版）Vol ．３６ No ．４２０１８年７月Journal of Jilin University （Information Science Edition ）July ２０１８文章编号：１６７１-５８９６（２０１８）０４-０３８１-０５

基于高动态时间数字转换器的单光子探测器

收稿日期：２０１８-０３-１６

基金项目：吉林省科技厅科技发展计划基金资助项目（２０１６０２０４０４２GX ）

作者简介：孙睿智（１９９２— ），男，长春人，吉林大学硕士研究生，主要从事单光子探测读出电路研究，（Tel ）８６-１８７０４４９８３４８

（E -mail ）６７５５６２４５５＠qq ．com ；通讯作者：常玉春（１９７３— ），男，吉林公主岭人，吉林大学教授，主要从事模拟、数字集成电路设计研究，（Tel ）８６-１３１８０８２６２１２（E -mail ）changyc ＠jlu ．edu ．cn 。孙睿智１，姜 涛２，纪永成１，常玉春１，马 成２，王欣洋２

（１．吉林大学电子科学与工程学院，长春１３００１２；２．长春长光辰芯光电技术有限公司芯片部，长春１３００１２）

摘要：为测量光子的飞行时间，提高激光雷达测距的距离并保证最小时间分辨率稳定性的问题，设计了像素级高动态范围１６bit 时间数字转换器。用其对光子的飞行时间进行测量，时间分辨率小于３３０ps ，并设计采用Xfab ０．１８μm CMOS 工艺进行流片验证，结果表明，可探测距离达千米以上。关键词：单光子探测；光子的飞行时间；时间数字转换器

中图分类号：TN ４５３文献标识码：A

Single -Photon Detection Based on High Dynamic Range Time -To -Digital Converter

SUN Ruizhi １，JIANG Tao ２，JI Yongcheng １，CHANG Yuchun １，MA Cheng ２，WANG Xinyang ２

（１．School of Electronic Science and Engineering ，Jilin University ，Changchun １３００１２，China ；

２．Integrated Circuit Department ，Gpixel ，Changchun １３００１２，China ）

Abstract ：In order to measure the flight time of photons ，and improve the distance of laser radar ranging and ensure the stability of minimum time resolution ，A pixel -level high dynamic range １６-bit time -to -digital converter is designed ．The resolution is less than ３３０ps and the detectable distance is more than kilometers ．This design uses Xfab ０．１８μm CMOS process for tapeout verification ．Key words ：single -photon detection ；time of flight ；time -to -digital converter

０ 引 言

单光子是极其微弱的光学信号，在普通的光电探测器件中产生的信号信噪比远小于１，难以提取其有效信号，因此需选用合适的单光子探测器件通过特殊方法对单光子进行探测。单光子探测技术是一项很有意义的微弱光信号探测技术，应用主要集中在天文观测、国土安全与监视、大气测污、远距离激光

测距和远距离激光三维成像等领域［１］。

笔者着力应用于单光子探测器阵列的高性能读出电路的设计，该设计的主要目标是实现光子的飞行时间与二进制数之间的转换，并应用于１６×１６阵列规模的读出电路芯片。

１ 读出电路结构与原理

完整的单光子探测成像系统通常包括单光子探测器阵列、读出电路单元阵列、列读出电路、行列选电路和输出驱动电路等。笔者着重研究读出电路单元部分，常见的淬灭电路单元结构有主动淬灭、被动

淬灭和门控脉冲淬灭等结构［２］。每种结构各有优缺点，笔者所设计的读出电路采用被动淬灭结构。设计

了像素级的高动态时间数字转换器，采用粗细计数的方式实现３３０ps 的时间精度，其中整体芯片的延时

万方数据