红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出，引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）结构，同时为保证弱信号时的注入效率，结合CTIA输入级，对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法，在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题，并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示，提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB，为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案，并为数字化读出电路设计奠定理论基础。

为提高动态范围，提出一种针对InGaAs焦平面电容负反馈放大型输入级的残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字读出电路。建立了电容负反馈放大型输入级的脉冲频率调制数字化理论转换模型，分析了积分电容残余电荷和复位遗失电荷引起的转换误差和线性度问题。基于0.18 μm CMOS工艺设计了线列光谱组件用双积分电容残差时间计数型两步式脉冲频率调制数字化结构，改善了转换误差和线性度，实现了16位粗略转换与最大16位精细转换的融合，为短波红外光谱组件的野外复杂场景应用提供了一种大动态范围的数字读出方案。

We demonstrate an ultra-compact short-wave infrared (SWIR) multispectral detector chip by monolithically integrating the narrowband Fabry–Perot microcavities array with the InGaAs detector focal plane array. A 16-channel SWIR multispectral detector has been fabricated for demonstration. Sixteen different narrowband response spectra are acquired on a 64×64 pixels detector chip by four times combinatorial etching processes. The peak of the response spectra varies from 1450 to 1666 nm with full width at half-maximum of 24 nm on average. The size of the SWIR multispectral detection system is remarkably reduced to a 2 mm² detector chip.

高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备，并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展，重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术，解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺，研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器，其峰值探测率优于1.0×10¹³ cm·Hz^1/2/W，响应不均匀性优于3%，有效像元率优于99.7%，动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像，图片清晰。