APD探測專利技術(shù)綜述

劉曉波 趙景煥 楊建坤 李哲

摘 要：文章立足于專利文獻(xiàn)，從專利的角度對APD探測器技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，梳理了APD技術(shù)的發(fā)展路線，對國內(nèi)外涉及APD探測器的專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，為相關(guān)領(lǐng)域的審查工作提供技術(shù)支持，也為相關(guān)的企業(yè)和研究機構(gòu)提供了參考。

關(guān)鍵詞：APD；專利；探測

1 概述

雪崩光電二極管APD是利用PN結(jié)在高反向偏置電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)進(jìn)行工作的一種光電探測器件，具有探測靈敏度高，響應(yīng)速度快的特點。目前，APD主要用于高速檢測、光纖通信和激光雷達(dá)成像等方面，具有其他光電探測器件無法比擬的優(yōu)勢。由于雪崩光電二極管APD的特性，使其成為了目前光電探測領(lǐng)域研究的熱點。文章主要通過對相關(guān)專利信息的分析對APD探測技術(shù)進(jìn)行梳理和展望。

2 APD探測專利技術(shù)的整體情況

APD雪崩光電二極管和PIN光電二極管是常用的兩種半導(dǎo)體光電檢測器件，然而，由于光電二極管PIN不會產(chǎn)生倍增效應(yīng)，APD則具有該項特性，使得APD可用于高速率、遠(yuǎn)距離的通信系統(tǒng)，進(jìn)行微弱光信號的檢測。

APD具有以下兩種工作模式：線性模式和蓋革模式。當(dāng) APD 的偏置電壓低于其擊穿電壓時，對入射光產(chǎn)生的光電流起到線性放大的作用，這種工作狀態(tài)稱為線性模式；當(dāng)偏置電壓接近或高于其雪崩電壓時，APD增益迅速增加，此時，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達(dá)到飽和，這種工作狀態(tài)稱為蓋革模式。在蓋革模式下，單個光子即可使 APD 的工作狀態(tài)實現(xiàn)開關(guān)之間的轉(zhuǎn)換。

為了研究APD探測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，我們采用分類號以及相關(guān)的中、英文關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，并針對1999年至2014年所采集到的專利申請數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，包括全球?qū)＠暾埩康陌l(fā)展趨勢（圖1）以及國內(nèi)專利申請量的發(fā)展趨勢（圖2）。

圖1反映出全球APD相關(guān)的專利申請量整體呈現(xiàn)兩個階段，1999-2004年為第一階段，專利申請量呈現(xiàn)逐年遞增，并于2004年達(dá)到第一個峰值，該階段的APD主要工作于線性模式；2005-2012年為第二階段，并于2012年達(dá)到第二個峰值，在此階段專利申請增加的原因可能是由于蓋革模式APD研究的逐漸展開導(dǎo)致，2013-2014年的申請量出現(xiàn)下降的原因是2013年和2014年提交的部分專利申請尚未被公開。

圖2反映出中國的專利申請量發(fā)展趨勢與全球?qū)＠暾埩堪l(fā)展趨勢基本一致。

3 APD探測的主要專利情況簡析

早期的APD工作在線性模式，多應(yīng)用于通信領(lǐng)域。國內(nèi)最早的有關(guān)APD的專利申請是電子工業(yè)部第34所馬迅的申請?zhí)枮镃N86101257的發(fā)明專利（申請日：1986.2.26）。該專利涉及一種寬帶綜合光纖通信網(wǎng)交換機，采用APD形成的N×N光電二極管耦合矩陣實現(xiàn)光信號交換。來自華為技術(shù)有限公司的申請?zhí)枮镃N00107854的發(fā)明專利申請（申請日：2000.6.27），涉及一種用于高動態(tài)范圍的光時域反射儀的光模塊，采用高靈敏度的APD探測器，用于檢測微弱光信號。國外有關(guān)APD的專利申請有日本富士公司的申請?zhí)枮镴P特愿昭60-258633的日本發(fā)明專利申請（申請日：1985.11.20），該專利涉及一種光信號接收回路，采用APD進(jìn)行光信號接收和探測。來自美國北電網(wǎng)絡(luò)有限公司的申請?zhí)枮閁S20000583283A的發(fā)明專利申請（申請日：2000.5.31），涉及一種光學(xué)通信系統(tǒng)中的光接收模塊，采用了APD作為探測器進(jìn)行光信號接收，具有很大的探測范圍。

APD工作于蓋革模式靈敏度高，目前多用于激光成像。國內(nèi)最早的有關(guān)APD工作于蓋革模式的專利申請是來自迪米斯戴爾工程有限責(zé)任公司的申請?zhí)枮镃N200580029267的發(fā)明專利（申請日：2005.7.6）。該專利涉及一種3D成像系統(tǒng)，采用非線性蓋革模式工作的APD陣列，用于探測單光子信號，可實現(xiàn)高靈敏度成像。來自皇家飛利浦電子股份有限公司的申請?zhí)枮镃N200780004329的發(fā)明專利申請（申請日：2007.1.17），涉及蓋革式雪崩光電二極管的制造方法，是國內(nèi)最早的有關(guān)蓋革式APD的制造方法的專利申請。來自中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所的申請?zhí)枮镃N201010107414的發(fā)明專利申請（申請日：2010.2.9），涉及一種基于單光子探測器的激光三維成像裝置，采用蓋革模式APD作為單光子探測器。國外最早的有關(guān)APD工作于蓋革模式的專利申請是來自羅克韋爾有限公司的申請?zhí)枮閁S19930167292A的發(fā)明專利（申請日：1993.12.16），該專利提出APD工作在蓋革模式以實現(xiàn)單光子靈敏度的探測，并提供了一種在該模式工作時APD的結(jié)構(gòu)。來自美國NUCRYPT公司的申請?zhí)枮閁S20090265844的發(fā)明專利申請（申請日：20091202），涉及一種單光子探測裝置，采用了工作于蓋革模式的APD探測器。

4 結(jié)束語

由上述分析可知，我國的APD探測技術(shù)研究與國外相比，起步較晚，尤其是相關(guān)新技術(shù)的研究開展較晚，且專利申請主要是關(guān)于器件的應(yīng)用，而有關(guān)器件的工藝和制造等基礎(chǔ)專利申請較少，有可能成為制約我國APD探測技術(shù)未來發(fā)展的主要因素。

參考文獻(xiàn)

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