APD探測專利技術綜述

劉曉波 趙景煥 楊建坤 李哲

摘 要：文章立足于專利文獻，從專利的角度對APD探測器技術進行了介紹和分析，梳理了APD技術的發展路線，對國內外涉及APD探測器的專利申請進行了統計和分析，為相關領域的審查工作提供技術支持，也為相關的企業和研究機構提供了參考。

關鍵詞：APD；專利；探測

1 概述

雪崩光電二極管APD是利用PN結在高反向偏置電壓下產生的雪崩效應進行工作的一種光電探測器件，具有探測靈敏度高，響應速度快的特點。目前，APD主要用于高速檢測、光纖通信和激光雷達成像等方面，具有其他光電探測器件無法比擬的優勢。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域研究的熱點。文章主要通過對相關專利信息的分析對APD探測技術進行梳理和展望。

2 APD探測專利技術的整體情況

APD雪崩光電二極管和PIN光電二極管是常用的兩種半導體光電檢測器件，然而，由于光電二極管PIN不會產生倍增效應，APD則具有該項特性，使得APD可用于高速率、遠距離的通信系統，進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 APD 的偏置電壓低于其擊穿電壓時，對入射光產生的光電流起到線性放大的作用，這種工作狀態稱為線性模式；當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到飽和，這種工作狀態稱為蓋革模式。在蓋革模式下，單個光子即可使 APD 的工作狀態實現開關之間的轉換。

為了研究APD探測技術的發展狀況，我們采用分類號以及相關的中、英文關鍵詞進行檢索，并針對1999年至2014年所采集到的專利申請數據進行統計分析，包括全球專利申請量的發展趨勢（圖1）以及國內專利申請量的發展趨勢（圖2）。

圖1反映出全球APD相關的專利申請量整體呈現兩個階段，1999-2004年為第一階段，專利申請量呈現逐年遞增，并于2004年達到第一個峰值，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研究的逐漸展開導致，2013-2014年的申請量出現下降的原因是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展趨勢與全球專利申請量發展趨勢基本一致。

3 APD探測的主要專利情況簡析

早期的APD工作在線性模式，多應用于通信領域。國內最早的有關APD的專利申請是電子工業部第34所馬迅的申請號為CN86101257的發明專利（申請日：1986.2.26）。該專利涉及一種寬帶綜合光纖通信網交換機，采用APD形成的N×N光電二極管耦合矩陣實現光信號交換。來自華為技術有限公司的申請號為CN00107854的發明專利申請（申請日：2000.6.27），涉及一種用于高動態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APD的專利申請有日本富士公司的申請號為JP特愿昭60-258633的日本發明專利申請（申請日：1985.11.20），該專利涉及一種光信號接收回路，采用APD進行光信號接收和探測。來自美國北電網絡有限公司的申請號為US20000583283A的發明專利申請（申請日：2000.5.31），涉及一種光學通信系統中的光接收模塊，采用了APD作為探測器進行光信號接收，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。國內最早的有關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任公司的申請號為CN200580029267的發明專利（申請日：2005.7.6）。該專利涉及一種3D成像系統，采用非線性蓋革模式工作的APD陣列，用于探測單光子信號，可實現高靈敏度成像。來自皇家飛利浦電子股份有限公司的申請號為CN200780004329的發明專利申請（申請日：2007.1.17），涉及蓋革式雪崩光電二極管的制造方法，是國內最早的有關蓋革式APD的制造方法的專利申請。來自中國科學院上海技術物理所的申請號為CN201010107414的發明專利申請（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號為US19930167292A的發明專利（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的結構。來自美國NUCRYPT公司的申請號為US20090265844的發明專利申請（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 結束語

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

參考文獻

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