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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。
2X8低噪声InGaAs/InPAPD读出电路设计0引言在红外通信的1310〜1550nm波段，高灵敏度探测材料主要有Ge—APD和InGaAs/InPAPD，两者相比较，InGaAs/InPAPD具有更高的量子效率和更低的暗电流噪声。
In0.53Ga0.47As/InPAPD采用在n+-InP衬底上依次匹配外延InP缓冲层、InGaAs吸收层、InGaAsP能隙渐变层、InP电荷层与InP顶层的结构。
APD探测器的最大缺点是暗电流相对于信号增益较大，所以设计APD读出电路的关键是放大输出弱电流信号，限制噪声信号，提高信噪比。
选择CTIA作为读出单元，CTIA是采用运算放大器作为积分器的运放积分模式，比较其他的读出电路，优点是噪声低、线性好、动态范围大。
1工作时序和读出电路结构作为大阵列面阵的基础，首先研制了一个2X8读出电路，图1给出了该电路的工作时序，其中Rl、R2为行选通信号；Vr为复位信号；SHl、SH2是双采样信号；C1、C2、…、C8为列读出信号。
电路采用行共用的工作方式，R1选通（高电平）时，第一行进行积分，SH1为高电平时，电路进行积分前采样，SH2为高电平时，进行积分结束前的采样，C1、C2、…、C8依次为高电平，将行上的每个像元上信号输出；然后R2为高电平，重复上面的步骤，进行第二行的积分和读出。
图2是2X8读出电路的结构框图，芯片主要由行列移位寄存器、CTIA和CDS单元组成，图中用虚线框表示：移位寄存器单元完成行列的选通，CTIA功能块将探测器电流信号按行进行积分，CDS功能块能抑制电路的噪声，如KTC(复位噪声)、FPN(固定图形噪声)等；FPGA主要产生复位信号(Vr)和采样信号(SH1、SH2)，触发电路的复位和采样动作，C8为该组信号的触发信号，解决和芯片内行列选通信号同步问题。
读出电路芯片照片(2mmx2mm) 为了便于和读出电路的连接仿真，首先根据器件特性建立了器件的电路模型，如图3(a)中的虚线框所示，其中Idet、Rdet、Cdet分别表示器件的光电流、阻抗、寄生电容。
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]。
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。
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。
