基于单光子雪崩二极管（SPAD）的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案，提高研发效率，降低研发成本。因此，从系统子模块的特性出发，利用时间相关单光子计数技术（TCSPC）和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型，得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器（TDC）和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明：在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×10³ lx、目标反射率为10%的条件下，主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当；当目标反射率增加到50%后，主动复位电路的系统性能优于被动复位电路；类似地，多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC，主要表现在，与单事件首光子TDC相比，多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布，其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值，寻峰算法更简单，算力需求更少。仿真结果表明，为使系统性能最优化，SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题, 提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统, 利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力, 将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合, 并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明: 该系统不仅灵敏度高, 还实现了0.006 nm的波长分辨率；与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比, 该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器 (Single Photon Avalanche Detector, SPAD), 设计了一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路。为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真, 根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式, 进一步建立了SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证。淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构, 利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间 (Hold-off Time) 的灵活调节。仿真结果表明, 所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2ns, 关断时间调节范围为1.02~3.55μs, 可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求。

雪崩光电二极管（ Avalanche Photondiode, APD）是一种常用于激光探测领域的光敏元件。本文针对盖革模式雪崩光电二极管（ Geiger Mode-Avalanche Photondiode, Gm-APD）工作时发生的雪崩效应, 设计了一种场效应管淬灭电路（ Field Effect Transistor Quenching Circuit）。首先, 针对 Gm-APD器件的特性建立了 Gm-APD的电学模型。其次, 在此模型的基础上, 设计并仿真验证了场效应管淬灭电路, 实现了对 Gm-APD的快速淬灭。结果表明, 本文设计的场效应管淬灭电路淬灭速度快、死时间短、性能较优, 淬灭时间和死时间分别为 21.026 ns和 16.5 ns, 满足激光测距成像的应用需求。

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体, 可以突破现有激光探测极限, 是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时, 存在较大的暗计数和后脉冲概率, 影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响, 门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间, 对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案, 以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试, 探测电路的死时间为9.3 ns, 在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10-6/ns, 后脉冲概率为3%。

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足, 采用p阱和STI共同作为保护环, 避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积, 增加深n阱使有源区耗尽层变窄, 从而降低雪崩击穿电压, 增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长, 以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式, 采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭, 以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真, 验证了该设计的可行性。

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题, 设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数, 建立了SPAD的SPICE模型; 使用被动淬灭电路对该模型进行验证, 证实了该模型的准确性和实用性; 结合SPICE模型, 通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明, 所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps, 满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单, 可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。