量子技术被视为未来的关键技术之一。通过量子技术，可以开发出远超过传统系统性能的高效技术。通过控制单个量子，许多颠覆性的应用将成为可能，例如量子计算机、防窃听通信或量子传感器技术等等。
光子也是量子的一种…
SPAD，即单光子雪崩二极管，用来将单个光子转换为电信号，可在室温下工作，无需大型复杂的冷却系统。SPAD 器件可以利用标准半导体 CMOS 工艺生产，成本效益非常高，因此可以实现高度集成的小型化解决方案，其中有一种应用称为单光子计数器。
我们会问是否有可能将单光子计数器 (SPADs) 用于量子技术，并使用标准 CMOS 工艺技术进行低成本生产？为了研究这个问题， X-FAB 和 IMMS 开发了一款名为 SPAD-Eval-Kit 的小型 USB 测量设备 – 用于鉴定光脉冲和单光子源。
SPAD-Eval-Kit 单光子雪崩二极管评估套件
这款名为 SPAD-Eval-Kit 的便携设备，只有手掌大小，无需额外电源，经济实用。它基于时间相关单光子计数 (TCSPC) 方法，可进行时间分辨率小至 20 ps（皮秒）的测量。
这里提到的 TCSPC 方法可用于评估光脉冲强度的时序进程，应用于建立单光子源，在暗光环境下鉴定脉冲光源特性，也可应用于距离测量等，奠定量子应用基础。该方法还有助于开发全新体外诊断和医疗技术的解决方案，例如微型发光和荧光测量技术等等。
快速光脉冲使传统表征方法不堪重负
许多应用都极大依赖于纳秒或皮秒级的快速光脉冲。比如说医疗技术中基于荧光的生物分析方法，汽车应用领域利用飞行时间精准测距等，对于众多类似应用，确定光源本身的特性会显得尤为重要。如果不能有效地确定激励信号，也就是光源的特性，那么一切对后端整体光学系统反应的评测很多时候将变得毫无意义。
传统的方法是使用快速光电二极管，然后使用示波器记录信号，这样就可以评估时间振幅曲线中低至纳秒范围的脉冲宽度。然而示波器的本底噪声会严重限制可实现的动态范围。因此，光电二极管的脉冲响应通常会发生非线性失真。
时间相关单光子计数法避免不必要的影响
通常情况下，光源的照射绝不是一个连续和确定的过程，而是处于随机分布的单个光子离散发射。光源的脉冲响应只不过是光源发射光子不同时间点的概率密度。我们利用概率密度的测量，或者从统计学的角度来看更正确的说法是：利用从光源到触发光子的时间直方图得出概率密度的分布，从而得转换成光源的特征图-- 这就是 TCSPC 方法的基本原理。用这种方法，光源的脉冲响应值不是连续的，而是离散的；脉冲响应也不是一次性测量得到的，而是通过重复激发和对多次测量结果进行累积形成的统计分布。
使用 FPGA 和 SPAD 对快速脉冲光源进行表征
使用 TCSPC 测量光源首先需要一个单光子探测器（SPAD），用于捕捉光源发出的光子。其次，它需要一个足够精确的时间数字转换器（TDC）。它测量第一个光子从激发到撞击之间的时间差，显示在直方图上逐渐累加递增。一旦直方图中积累了足够多的 TDC 值，即几十万个，直方图就与光源的实际脉冲响应相对应了。
这种方法并不是最近才发明的，不过在很长一段时间里，要将这种装置投入使用，需要极其笨重的设备。在 IMMS 的协助下，通过 X-FAB 的 SPAD 工艺技术，最终开发推出了这一套极其紧凑的设备，以便用于相关测量。
这版本的时间数字转换器（TDC）是在现场可编程门阵列（FPGA）中实现的，这种可编程逻辑元件映射了所需集成电路的所有结构。未来随着技术进一步迭代，SPAD 传感器和逻辑电子元件组成的系统有望进一步小型化，从而为新的量子应用开辟了道路。
死区时间元件的概念实现了低成本 FPGA 的使用
由于当前 FPGA 的最高合理时钟频率在几百兆赫兹范围内，因此使用简单的计数逻辑不可能实现时间分辨率约为 20 皮秒的 TDC。TCSPC 使用 SPAD（单光子雪崩二极管）提供了一种能达到这一精度的解决方案，即使是纳秒级的极短光脉冲也能被表征出来。在适当的积分时间后，累积直方图的动态范围为 80 dB，明显优于 GHz 示波器的动态范围--后者在 7 位（ENOB）的典型分辨率下，由于噪声的影响，动态范围最多为 40 dB。
这一款 SPAD-Eval-Kit 还可用于观察和量化光源和探测器的不良影响。例如，SPAD 的后脉冲可以通过适当的相关性过滤掉。这种不良效应是由探测器引起的：在检测到一个光子后，由于半导体层中的电荷载流子会立即发射出更多脉冲，但这些脉冲并不能归类于量测光子。这种效应被称为后脉冲。利用 SPAD-Eval-Kit，可以抑制这种后脉冲以实现正常运行，或者专门提取后脉冲以鉴定探测器的特性。
此外，借助这款 SPAD-Eval-Kit 还可以研究远低于脉冲响应峰值 1%的光源干扰效应。其中一个例子是受激激光二极管的自发辐射。在使用快速光电二极管和示波器进行测量时，由于示波器的动态范围有限，只能在非常有限的范围内测量到这些不需要的自发辐射的比例。这一点对于体外诊断应用尤为重要，因为在体外诊断应用中，激光二极管将用于激发生物或化学诱导荧光。在许多研究项目中，该测量系统已成功用于鉴定快速激光光源。我们还成功评估了借助相似系统用于检测结核病的可行性。
FPGA-TDC 和 CMOS-SPAD 的结合使 TCSPC 测量装置从以前极其笨重的测量装置缩小到无需外部电源的低成本、手掌大小的 USB 设备。它还可以使用各种附加光学元件（如透镜、滤光片）作为补充。
X-FAB 的 SPAD 工艺
X-FAB 早在2019年就已宣布推出了自己的雪崩光电二极管（APD）和单光子雪崩二极管（SPAD）工艺，可用于需要应对极低光照条件、提高灵敏度和严格定时分辨率的应用场合。
2023年X-FAB再次推出近红外应用加强版的新一代高性能 SPAD 器件，整个近红外（NIR）波段的灵敏度都得到了提高，关键波长 850nm 和 905nm 的灵敏度分别提高了 40% 和 35%。在非常多的应用中，器件在近红外波段的灵敏度被证明是至关重要的。其中包括工业应用中的飞行时间传感、车辆激光雷达成像、生物光子学和 FLIM 研究工作，以及各种不同的医疗相关活动。
参考来源：
文章：XFAB
