第62期“见微知著”培训课程：单光子探测技术及应用

麦姆斯咨询　｜　2024-06-21至2024-06-23　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：单光子雪崩探测器研究与应用述评

老师：西南技术物理研究所/电子科技大学 研究员/教授 宋海智（点此查看老师简介）

单光子探测器是支撑前沿科技发展的重要推动技术之一，其能够探测极微弱光信号，具有较高的灵敏度，在激光雷达、量子通信、资源普查、空间探测领域都有日益增长的广泛需求。近年来，随着科学技术的飞速发展，在传统的光电探测器件不断优化和改进的同时，其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果，在光子探测效率、暗计数率、时间抖动、计数率等技术指标方面持续提升。本课程概述目前具有代表性的单光子探测器，包括光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）和硅光电倍增管（SiPM）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD），重点讲解单光子雪崩探测器国内外研究进展及典型应用，并展望其市场前景和技术趋势。

课程提纲：

1. 单光子探测器技术概述：PMT、APD/SPAD/SiPM、SNSPD；

2. 单光子雪崩探测器原理、种类和评价指标；

3. 单光子雪崩探测器国际研究开发现状；

4. 单光子雪崩探测器国内研究进展情况；

5. 单光子雪崩探测器典型应用及市场前景；

6. 单光子雪崩探测器技术展望。

课程二：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）及应用

老师：南京大学 教授 张蜡宝（点此查看老师简介）

超导作为一种材料特有的属性，既是研究凝聚态物理的重要平台，也能被用于实现功能特异的各种电子学器件。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种性能优异的光电探测器，处于偏置状态的纳米线吸收光子后产生阻态，从而影响了电路电流分布，通过低噪声放大器，读出电流变化所产生的光脉冲响应。SNSPD理论上具有接近100%的系统探测效率，有望突破传统光电探测器的性能极限，将大幅提升单光子探测器性能指标，对量子通信、量子传感、量子计算等技术有重要的支撑作用。与传统的半导体单光子探测器相比，SNSPD具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死区时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。本课程详细剖析SNSPD，从工作机制到设计与制备，再到应用案例。

课程提纲：

1. 超导纳米线单光子探测器工作机制及理论模型；

2. 超导纳米线单光子探测器结构设计；

3. 超导纳米线单光子探测器材料与制备；

4. 超导纳米线单光子探测器封装与系统；

5. 超导纳米线单光子探测器主要性能指标；

6. 超导纳米线单光子探测器研究新进展；

7. 超导纳米线单光子探测器应用举例。

课程三：远距离单光子3D成像技术及应用

老师：中国科学技术大学 教授 徐飞虎（点此查看老师简介）

如何“看得更远、看得更清”是人类对视觉感知的不懈追求。近年来发展的激光雷达成像技术能够对目标场景进行高精度3D成像。单光子成像雷达作为一种具有单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率的新兴3D成像技术，是实现远距离光学成像的理想方案。随着成像距离的拓展，从目标返回的信号光子急剧减少；大气扰动和散射、太阳背景、单光子探测器的暗电流等方面会带来大量的背景噪声；简单的提高激光功率无法解决远距离条件下信噪比极低的问题；因此，实现远距离成像雷达面临着巨大挑战。为此，中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎研究组经过长期的成像算法和光学技术攻关，发展了单像素单光子成像算法、近红外波段高效率单光子收集和探测、近衍射极限收发一体光学控制等核心技术，将成像距离拓展到201.5公里，成像灵敏度达到平均每个像素0.4个信号光子。本课程详解单光子3D成像技术及应用，并介绍远距离单光子3D成像雷达系统设计。

课程提纲：

1. 单光子成像技术原理、特点及应用；

2. 远距离单光子3D成像技术发展历程；

3. 关键技术：单光子探测 + 光子重构算法；

4. 远距离单光子3D成像雷达设计；

5. 远距离单光子3D成像技术总结与展望。

课程四：中红外单光子探测与成像

老师：华东师范大学 研究员 黄坤（点此查看老师简介）

中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖了地球大气多个透射窗口，实现中红外波段超灵敏探测与成像不仅推动着分子光谱学、空间天文学等基础研究的发展，而且在红外遥感、污染监测、疾病诊断等方面有着重要应用。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外光子测控领域的国际研究热点。近年来，红外上转换探测技术备受关注，其结合高保真光子频率变换与高性能硅基探测器件，为红外单光子探测与成像提供了一条可行之道。此外，结合红外上转换探测、时间相关光子计数等技术，可以实现宽带中红外单光子时间拉伸光谱仪，克服在精密光谱测量中对多像素探测阵列的严苛要求。本课程详解中红外单光子探测与成像技术及应用，介绍基于非线性空间编码的红外上转换单像素成像新方法——利用硅基单像元探测器实现了超灵敏中红外单光子成像。

课程提纲：

1. 中红外单光子探测技术概述；

2. 中红外上转换光子探测与分辨技术；

3. 超灵敏中红外单光子成像技术；

4. 单光子水平下中红外单像素成像技术；

5. 中红外上转换单光子相机及应用。

课程五：SPAD探测器及其阵列集成技术

老师：南京邮电大学 教授 徐跃（点此查看老师简介）

雪崩光电二极管（APD）是一种利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高探测灵敏度的p-n结型光探测二极管。根据偏置电压，APD工作模式可分为线性模式和盖革模式两种。单光子雪崩探测器（SPAD）是指工作电压高于击穿电压的APD，也称为盖革模式APD，通过配套淬灭电路和读出电路对雪崩倍增过程进行淬灭和恢复控制从而实现单光子探测。SPAD以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为众多民用领域单光子探测的最佳选择。SPAD阵列与时间测量电路的集成，例如时间数字转换器（TDC）或时间幅度转换器（TAC），使得SPAD阵列在具备单光子探测能力的同时还能够精确测量光子的飞行时间（ToF），从而实现对高速物体的追踪或者对成像维度的拓展。本课程从SPAD探测器结构和性能出发，首先讲解硅基SPAD设计与表征，然后剖析两种光子计数和飞行时间测量技术，最后阐述硅基SPAD阵列集成技术。

课程提纲：

1. SPAD探测器结构、性能以及应用；

2. 硅基SPAD器件设计与表征；

3. 基于SPAD的光子计数技术：模拟计数 vs. 数字计数；

4. 基于SPAD的光子飞行时间测量技术：TDC vs. TAC；

5. 高密度硅基SPAD阵列探测器集成技术。

课程六：SPAD阵列读出电路关键技术与发展趋势

老师：东南大学 副教授 郑丽霞（点此查看老师简介）

近年来，单光子雪崩探测器（SPAD）在诸如激光雷达（LiDAR）、荧光光谱分析、流式细胞术、量子通信、量子计算等弱光探测领域得到了广泛应用。SPAD的各类应用需要检测传感信号的读出电路（ROIC）与之配套，以实现SPAD探测器雪崩信号的提取和处理。但是，大规模SPAD阵列导致的寄生效应、功耗、面积等问题越来越突出，严重影响成像质量，阵列型SPAD读出电路的设计面临很大的挑战。本课程首先阐述SPAD阵列ROIC设计的关键技术，然后分别从SPAD阵列接口电路设计、两种典型应用成像模式（光子计时、光子计数）中核心电路的设计方面，详细分析此类电路的关键技术以及此类电路的研究进展与存在的问题，最后分析SPAD阵列集成读出电路的发展趋势。

课程提纲：

1. SPAD阵列典型应用及读出电路要求；

2. SPAD阵列接口电路技术；

3. 基于光子飞行时间（ToF）测量的读出电路技术；

4. 基于光子计数的读出电路技术；

5. SPAD阵列ROIC发展趋势。

课程七：光子飞行时间（ToF）低功耗量化关键技术与阵列电路实现

老师：东南大学 教授 吴金（点此查看老师简介）

光子飞行时间（ToF）测量电路是SPAD像素中的重要组成部分，决定了SPAD的时间探测性能。值得一提的是，即使不借助时间测量电路，一些工作在光子计数模式下的高速SPAD也能够以微秒（μs）级别的精度区分微弱光强的变化，但无法精确测量光子飞行时间。应用在SPAD像素中的精确光子飞行时间测量方案主要包括时间相关光子计数（TCSPC）技术以及时间门控（TG）技术。TCSPC能够以皮秒（ps）级别的精度测量光子的到达时间，但是需要较复杂的时间数字转换器（TDC）。本课程从数字计时读出电路理论出发，分析SPAD ToF数据量化与传输功耗，详解SPAD阵列TDC系统架构与关键电路设计。

课程提纲：

1. 数字计时读出电路（ROIC）理论基础；

2. SPAD ToF数据量化与传输功耗分析；

3. 低抖动均匀分相时钟产生与驱动技术；

4. SPAD阵列TDC系统架构与关键电路设计；

5. SPAD ToF低功耗检测关键技术与系统实现。

课程八：基于SPAD阵列芯片的dToF距离传感器

老师：杭州宇称电子技术有限公司 研发副总工程师 刘丰（点此查看老师简介）

在以手机和电脑为代表的消费电子领域，基于SPAD阵列的直接飞行时间（dToF）距离传感器长期是意法半导体（ST）统治的天下。意法半导体最早于2013年推出首款基于FlightSense飞行时间（ToF）技术的新一代高性能接近和测距传感器，其在同一封装中集成了SPAD阵列、VCSEL光源及驱动器，可以提供非常快的测距速度，并且具有低功耗、高可靠性等优点。2023年，意法半导体发布新款多区（8 x 8）测距dToF传感器，大视场角（90°）达“相机级”，给各类智能设备带来逼真的场景感知功能。2024年，意法半导体宣布dToF距离传感器出货量超过20亿颗。近些年，艾迈斯欧司朗（ams OSRAM）及国内多家创业公司欲与意法半导体抢夺市场。本课程讲解面向dToF应用的SPAD阵列和电路设计，并结合典型产品剖析dToF距离传感器设计。

课程提纲：

1. 基于SPAD的dToF传感器原理、特点及应用；

2. 面向dToF应用的SPAD阵列芯片设计；

3. 面向dToF应用的TDC和数字处理功能设计；

4. 基于SPAD阵列芯片的dToF距离传感器设计及典型产品；

5. 基于SPAD阵列芯片的dToF距离传感器总结与展望。

课程九：基于SPAD阵列芯片的激光雷达系统设计和光学设计

老师：杭州电子科技大学 教授 寿翔（点此查看老师简介）

近年来，随着单光子探测器性能的提升，基于单光子探测器的激光雷达（LiDAR）通过时间相关单光子计数（TCSPC）技术，可将探测灵敏度提升至光子级别，显著地降低激光雷达系统对激光光源功率的依赖，使得超远距离探测和激光雷达系统轻小型化成为可能；此外，对光信号利用率的大幅提升，为微弱信号下高精度3D重建奠定了基础。单光子激光雷达的上述优势使其在自动驾驶、遥感测绘、复杂场景感知等领域具有广阔的应用前景，逐步成为新一代激光雷达技术的发展趋势。在常见的商用单光子探测器中，单光子雪崩二极管（SPAD）具有易集成、低成本、高可靠性等优势，越来越受到激光雷达系统集成商的青睐。本课程聚焦于采用SPAD阵列芯片的激光雷达技术与系统，重点剖析系统设计和光学设计，并辅以典型产品进行论述。

课程提纲：

1. 基于SPAD阵列芯片的激光雷达特点及发展趋势；

2. 基于SPAD阵列芯片的激光雷达系统设计；

3. 基于SPAD阵列芯片的激光雷达光学设计；

4. 基于SPAD阵列芯片的激光雷达典型产品；

5. 基于SPAD阵列芯片的激光雷达总结与展望。

课程十：感算融合单光子探测器芯片技术

老师：复旦大学 青年研究员 黄张成（点此查看老师简介）

单光子探测器可对单个光子进行计数，具有极微弱信号场景下的成像能力。对单光子探测器阵列的数据进行卷积计算之类的分析处理，可以提取出目标的特征，为进一步决策提供重要参考，但是，单光子探测器阵列与后续处理芯片之间的数据传输是一个瓶颈，并且不可避免的高功耗也严重限制了应用场景。为此，复旦大学黄张成等研究人员发明了一种感算融合单光子探测器芯片，其主要由单光子感光计数阵列、卷积计算列处理电路、行选电路、卷积权重读写电路、列总线和输出总线组成。该芯片在传统的单光子成像架构内融合卷积计算功能，具有感算融合一体化的特性，能够快速提取微弱图像特征，大幅度压缩了输出的单光子成像数据量。本课程从SPAD单光子探测器基础知识出发，详解感算融合单光子探测器芯片关键技术。

课程提纲：

1. SPAD单光子探测器基础知识；

2. SPAD单光子探测器电路设计；

3. SPAD单光子探测器发展趋势与挑战；

4. 感算融合技术最新进展；

5. 感算融合芯片关键技术；

6. 感算融合SPAD单光子探测器芯片设计。

课程十一：硅光电倍增管（SiPM）关键技术及发展趋势

老师：西安工程大学 教授 张国青（点此查看老师简介）

硅光电倍增管（SiPM）或称为多像素光子计数器（MPPC）是一种基于多元微通道技术的硅基固态电子倍增器件，其像素单元由多个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管并联组成，可以用作光子计数器。相比传统的光电倍增管（PMT），SiPM具有动态范围大、光子探测效率高、对磁场不敏感、体积小、成本低、集成度高、工作电压低等优点，已经被应用于激光雷达（LiDAR）、激光光谱学、正电子发射断层扫描（PET）、高能物理学（HEP）实验等领域。近些年，在自动驾驶领域应用的激光雷达有小型化和集成化的发展趋势，SiPM凭借易于形成阵列、工作电压低等特点，在激光雷达测距与成像方面得到了许多研究与应用。本课程讲解SiPM关键技术（设计与制造），并阐述SiPM技术发展趋势。

课程提纲：

1. 硅光电倍增管（SiPM）概述；

2. SiPM物理特性与关键参数指标表征方法；

3. SiPM设计与制造方法；

4. SiPM技术发展趋势；

5. SiPM典型应用介绍。

课程十二：单光子时间分辨成像光谱仪

老师：中国科学院国家空间科学中心 研究员 刘雪峰（点此查看老师简介）

科学仪器是人们对物理化学反应过程的信息进行测量与控制的重要手段，也是科学研究的基础。随着生命科学和纳米科学等相关科学领域的进步，仅仅回答“是什么”（What）和“有多少”（How much）的问题已无法满足科学家探索未知世界的需求，必须还要同时回答“何时发生变化”或“随时间怎样变化”（When）以及“在哪儿发生变化”（Where）的问题。为了达到科学家们想要的“四定”（定成份、定量、定时、定位）目标，生命科学、纳米科学、化学以及能源科学等领域迫切需要一种新型光谱仪器技术，能够将成像光谱技术与时间分辨光谱技术进一步相结合，形成时间分辨成像光谱仪，在一次测量中同时获取时间、空间、光谱信息，也就是在一次测量中同时回答“四定”问题。利用压缩感知单像素相机实现的单光子成像光谱，可利用高灵敏度单点光子探测器对3D成像光谱信息进行高效获取，降低了对探测器件的要求，同时提升了探测效率。在单光子成像光谱的基础上融合光子时间分辨测量技术，可以实现单光子灵敏度的时间分辨成像光谱获取，能够为生物荧光探测、医疗诊断、材料分析等应用提供一种有力的多维信息获取手段。本课程详解单光子时间分辨成像光谱仪工作原理及关键技术。

课程提纲：

1. 单光子时间分辨成像光谱技术概述；

2. 压缩感知单光子成像技术；

3. 压缩感知单光子成像光谱技术；

4. 单光子时间分辨成像光谱仪设计与集成；

5. 单光子时间分辨成像光谱技术总结与展望。