单光子雪崩二极管阵列偏置高压电源的通道间串扰抑制
单光子雪崩二极管阵列是激光雷达、量子通信及荧光寿命成像的核心探测器，其工作在盖革模式——偏置电压高于击穿电压，单个光子即可触发雪崩，产生可探测电流脉冲。为满足高像素需求，阵列规模已达数百至数千单元，每个单元需独立偏置或分组偏置。高压电源为阵列提供击穿电压以上的偏压，其稳定性与噪声直接影响探测效率与暗计数。更为棘手的是，通道间串扰——一个像素雪崩时，其电流脉冲通过公共偏置线耦合至相邻像素，引起误触发。通道间串扰抑制是单光子雪崩二极管阵列高压电源设计的核心挑战。
串扰的物理机制包括电阻耦合与电容耦合。公共偏置线存在寄生电阻，当某一像素雪崩时，大电流（毫安级）在电阻上产生压降，使公共偏置点电位瞬间下降，相邻像素偏压随之下降，若低于击穿电压，则无法探测光子；若下降后又恢复，可能引起振铃，误触发相邻像素。电容耦合源于像素间寄生电容，雪崩脉冲的快速前沿通过电容微分耦合至相邻像素，产生尖峰干扰。
抑制串扰的首要策略是降低公共偏置线阻抗。采用厚金属布线，增大导线截面积，减小电阻。对于大型阵列，可采用多层供电网络——主偏置线分布于芯片外围，通过多个分支点接入各像素，使每个像素的供电路径电阻一致且最小。电源输出端需配置大容量储能电容，就近布置于芯片附近，为雪崩瞬间提供瞬态电流，减小偏置线压降。储能电容需低等效串联电阻，通常采用多层陶瓷电容并联。
有源钳位是抑制电容耦合的有效手段。在每个像素的偏置输入端设置钳位二极管，当雪崩引起电位下降时，钳位二极管导通，将下降幅度限制在0.7伏以内，防止过深下降。钳位二极管的恢复速度需快于雪崩脉冲，通常采用肖特基二极管，其反向恢复时间可忽略。对于更高要求，可采用有源钳位电路——运算放大器检测偏置点下降，驱动晶体管快速补充电荷，使偏置点几乎不变。
像素间隔离设计需从版图层面优化。增大像素间距，减小寄生电容，但会降低填充因子。采用深沟槽隔离，在像素间刻蚀深槽填充绝缘材料，切断电容耦合路径。对于背照式阵列，可将偏置线布置于芯片背面，与正面像素通过硅通孔连接，进一步减小正面耦合。
高压电源的纹波与噪声也是串扰的来源。电源输出纹波通过公共偏置线耦合至所有像素，使各像素偏压同步波动，但不会引起像素间差异。然而，若电源输出阻抗过高，纹波在偏置线上产生空间分布，引起像素间偏压差异。因此，电源需具备低输出阻抗，通常采用线性稳压后级，使输出阻抗小于0.1欧姆。
在阵列测试中，通道间串扰抑制的效果通过串扰概率评估——向单一像素照射光子，测量相邻像素的响应计数。理想情况下串扰概率应小于0.1%。某256×256单光子雪崩二极管阵列，采用上述抑制措施后，串扰概率从5%降至0.3%，满足量子成像应用需求。阵列探测效率25%，暗计数率100赫兹，性能达到国际先进水平。
展望未来，随着阵列规模向百万像素发展，串扰抑制需更精细化。基于数字辅助的串扰抵消技术——在读出电路中记录雪崩发生时间与位置，通过算法识别并剔除串扰事件，可与硬件抑制互补。高压电源将向片上集成方向发展，将偏置稳压器与钳位电路直接集成于像素阵列边缘，使供电路径缩短至毫米级，从根本上消除串扰。
