APD探测专利技术综述

刘晓波 赵景焕 杨建坤 李哲

摘 要：文章立足于专利文献，从专利的角度对APD探测器技术进行了介绍和分析，梳理了APD技术的发展路线，对国内外涉及APD探测器的专利申请进行了统计和分析，为相关领域的审查工作提供技术支持，也为相关的企业和研究机构提供了参考。

关键词：APD；专利；探测

1 概述

雪崩光电二极管APD是利用PN结在高反向偏置电压下产生的雪崩效应进行工作的一种光电探测器件，具有探测灵敏度高，响应速度快的特点。目前，APD主要用于高速检测、光纤通信和激光雷达成像等方面，具有其他光电探测器件无法比拟的优势。由于雪崩光电二极管APD的特性，使其成为了目前光电探测领域研究的热点。文章主要通过对相关专利信息的分析对APD探测技术进行梳理和展望。

2 APD探测专利技术的整体情况

APD雪崩光电二极管和PIN光电二极管是常用的两种半导体光电检测器件，然而，由于光电二极管PIN不会产生倍增效应，APD则具有该项特性，使得APD可用于高速率、远距离的通信系统，进行微弱光信号的检测。

APD具有以下两种工作模式：线性模式和盖革模式。当 APD 的偏置电压低于其击穿电压时，对入射光产生的光电流起到线性放大的作用，这种工作状态称为线性模式；当偏置电压接近或高于其雪崩电压时，APD增益迅速增加，此时，单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和，这种工作状态称为盖革模式。在盖革模式下，单个光子即可使 APD 的工作状态实现开关之间的转换。

为了研究APD探测技术的发展状况，我们采用分类号以及相关的中、英文关键词进行检索，并针对1999年至2014年所采集到的专利申请数据进行统计分析，包括全球专利申请量的发展趋势（图1）以及国内专利申请量的发展趋势（图2）。

图1反映出全球APD相关的专利申请量整体呈现两个阶段，1999-2004年为第一阶段，专利申请量呈现逐年递增，并于2004年达到第一个峰值，该阶段的APD主要工作于线性模式；2005-2012年为第二阶段，并于2012年达到第二个峰值，在此阶段专利申请增加的原因可能是由于盖革模式APD研究的逐渐展开导致，2013-2014年的申请量出现下降的原因是2013年和2014年提交的部分专利申请尚未被公开。

图2反映出中国的专利申请量发展趋势与全球专利申请量发展趋势基本一致。

3 APD探测的主要专利情况简析

早期的APD工作在线性模式，多应用于通信领域。国内最早的有关APD的专利申请是电子工业部第34所马迅的申请号为CN86101257的发明专利（申请日：1986.2.26）。该专利涉及一种宽带综合光纤通信网交换机，采用APD形成的N×N光电二极管耦合矩阵实现光信号交换。来自华为技术有限公司的申请号为CN00107854的发明专利申请（申请日：2000.6.27），涉及一种用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，采用高灵敏度的APD探测器，用于检测微弱光信号。国外有关APD的专利申请有日本富士公司的申请号为JP特愿昭60-258633的日本发明专利申请（申请日：1985.11.20），该专利涉及一种光信号接收回路，采用APD进行光信号接收和探测。来自美国北电网络有限公司的申请号为US20000583283A的发明专利申请（申请日：2000.5.31），涉及一种光学通信系统中的光接收模块，采用了APD作为探测器进行光信号接收，具有很大的探测范围。

APD工作于盖革模式灵敏度高，目前多用于激光成像。国内最早的有关APD工作于盖革模式的专利申请是来自迪米斯戴尔工程有限责任公司的申请号为CN200580029267的发明专利（申请日：2005.7.6）。该专利涉及一种3D成像系统，采用非线性盖革模式工作的APD阵列，用于探测单光子信号，可实现高灵敏度成像。来自皇家飞利浦电子股份有限公司的申请号为CN200780004329的发明专利申请（申请日：2007.1.17），涉及盖革式雪崩光电二极管的制造方法，是国内最早的有关盖革式APD的制造方法的专利申请。来自中国科学院上海技术物理所的申请号为CN201010107414的发明专利申请（申请日：2010.2.9），涉及一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，采用盖革模式APD作为单光子探测器。国外最早的有关APD工作于盖革模式的专利申请是来自罗克韦尔有限公司的申请号为US19930167292A的发明专利（申请日：1993.12.16），该专利提出APD工作在盖革模式以实现单光子灵敏度的探测，并提供了一种在该模式工作时APD的结构。来自美国NUCRYPT公司的申请号为US20090265844的发明专利申请（申请日：20091202），涉及一种单光子探测装置，采用了工作于盖革模式的APD探测器。

4 结束语

由上述分析可知，我国的APD探测技术研究与国外相比，起步较晚，尤其是相关新技术的研究开展较晚，且专利申請主要是关于器件的应用，而有关器件的工艺和制造等基础专利申请较少，有可能成为制约我国APD探测技术未来发展的主要因素。

参考文献

[1]赵洪利，等.基于盖革模式 APD 阵列的非扫描激光三维成像雷达研究综述[J].激光与红外，2013（10）：1083-1088.

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