[发明专利]一种单光子探测器芯片

说明书

本发明涉及一种单光子探测器芯片，用于与多脉冲激光器配合实现对单个光子的探测，单光子探测器芯片包括由若干个单光子探测单元组成的单光子探测单元阵列和偏置模块，单光子探测单元阵列和偏置模块集成在单片内，偏置模块与单光子探测单元阵列相连，单光子探测单元设有一次筛选电路和二次筛选电路，二次筛选电路的输入端与一次筛选电路的输出端相连，多脉冲激光器发射多脉冲的激光脉冲串，一次筛选电路对多器件接收的脉冲进行一次比较筛选，二次筛选电路采用延时电路对一次筛选电路输出的脉冲进行多路延时，并对多路延时脉冲进行二次比较筛选，提取有效脉冲。与现有技术相比，本发明具有高性能探测能力、输出功耗低、工作帧频高等优点。

技术领域

本发明涉及光探测技术领域，尤其是涉及一种单光子探测器芯片。

背景技术

单光子探测器可对单个光子进行探测，通过测量激光发射脉冲和探测器接收脉冲之间的时间差，可以得到目标的距离。单光子探测器芯片通常包含有单光子像素阵列等，可以直接获得目标的三维图像。单光子像素内主要有单光子探测器件、淬灭电路和时间数字转换模块组成。激光器发射激光脉冲后，单光子器件工作在盖格模式，当接收到目标反射回来得光子后，触发器件进入盖格雪崩，淬灭电路感知到器件输出的瞬态雪崩电流后，迅速调节单光子器件的偏压，让单光子器件退出雪崩状态，同时淬灭电路输出一个脉冲，代表单光子器件发生了一次雪崩。在激光器发射激光的同时，时间数字转换模块开始工作，当淬灭电路的脉冲进入时间数字转换模块后，时间数字转换模块停止计时，所记录的数据即是光子的往返时间信息。单光子探测器芯片通过行选电路、列选电路将像素阵列内每个像素内存储的时间数据依次串行输出到芯片外。

在实际场景中，单光子探测器芯片所接收的不仅是激光器发射的信号脉冲，还包括大量的背景光干扰脉冲或者噪声脉冲。在恶劣环境下，可能探测100次甚至更多次才能接收到1次信号脉冲，在这种极低的信噪比下，数据的直接成像质量极差。通常对单光子探测器芯片的数据进行重复采样，采样成百上千甚至更多次，对每个像元的数据进行统计分布。背景光干扰脉冲或者噪声脉冲是无规律随机产生，信号脉冲是固定时刻产生的，因此，对触发脉冲沿着时间维度进行统计后，信号脉冲会聚集在某一个时刻，形成一个信号峰，而干扰脉冲会随机分布在整个探测时间区间，据此可以提取出信号脉冲。

高数量样本的采集和统计分析会给激光雷达的硬件设计带来巨大的挑战。以320×256单光子探测器阵列为例，如果要实现30帧/秒的帧频，时间数据精度为12bit，采样1000次提取一次有效样本，那么数据率高达320×256×30×12×1000＝29.5Gb/s，这将要求极高的传输速率和传输接口数量，消耗极大的传输功耗。为了减小传输数据的压力，一种方案是采用在芯片内设计存储器，将采集的样本数据暂存在芯片内，直接在芯片内对各个像素的数据进行统计分析，找出信号的时间数据后再输出，这样可以将输出数据率减小1000倍，变为29.5Mb/s。这种方案虽然减小了数据传输的压力，但是大幅度增加了片上存储的空间，即使按照100次采样存储，也需要368MB的空间，这在芯片设计上无法实现，因此，该方案仍然只适用于小阵列、低速的场合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能探测能力、输出功耗低、工作帧频高的单光子探测器芯片。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单光子探测器芯片，用于与多脉冲激光器配合实现对单个光子的探测，所述的单光子探测器芯片包括由若干个单光子探测单元组成的单光子探测单元阵列和偏置模块；所述的单光子探测单元阵列和偏置模块集成在单片内；所述的偏置模块与单光子探测单元阵列相连；所述的单光子探测单元设有一次筛选电路和二次筛选电路；所述的二次筛选电路的输入端与一次筛选电路的输出端相连；所述的多脉冲激光器发射多脉冲的激光脉冲串，一次筛选电路对多器件接收到的脉冲进行一次比较筛选，二次筛选电路采用延时电路对一次筛选电路输出的脉冲进行多路延时，并对多路延时脉冲进行二次比较筛选，提取有效脉冲。