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【觅光破局】从单光子探测应用现状浅析未来技术发展趋势——专访宇称电子首席科学家沈炜

2022-05-30 11:10:55来源:CIOE新闻标签:光电

CIOE中国光博会特别启动【觅光破局 ·2022】专题栏目,从人物专访的角度出发,聚焦光电行业“破局者”,从企业发展思维构建行业发展思维,助力中国光电行业破局突围。本期我们邀请到宇称电子创始人、首席科学家沈炜先生带来分享。

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单光子探测是一种探测超低噪声的技术,增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数,实现对极微弱目标信号的探测,因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中。

日前,光博君采访到了宇称电子创始人、首席科学家沈炜,与他就单光子探测应用现状与未来技术发展趋势等方面进行了探讨。

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清华大学 工程物理系本硕  工程物理与核电子学专业

德国海德堡大学 (University of Heidelberg)物理系博士研究生 粒子物理和射线探测器专业

基尔霍夫物理研究所(Kirchhoff Institute for Physics)探测传感器研发团队Leader

欧盟单光子传感器路线图项目Sense顾问委员,多项欧盟和国际合作项目微电子首席设计师

医疗成像(Medical Imaging Instrumentation)半导体探测器和微电子学专家

欧洲Cooperation in Science and Technology 项目 Fast Advanced Scintillator Timing 特邀专家

共发表Sci学术论文20余篇,并担任多个国际期刊如Journal of Instrumentation 和 International Journal of Electronics and Communication评审


前言:单光子探测是一种探测超低噪声的技术,增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数,实现对极微弱目标信号的探测,因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中,日前,《中国光电》记者采访到了宇称电子创始人首席科学家沈炜,与他就单光子探测应用现状浅析未来技术发展趋势等方面做了相关采访。


Q:请为我们简要介绍下您公司和创立宇称电子的初衷。

A:我和另外两位创始人和核心博士于2017年成立了宇称电子,专注于单光子敏感器件及读出电路设计,目前具体涵盖SPAD、SiPM、ASIC及相关系统方案,业务涉及消费类电子,激光雷达,医疗影像、工业检测等下游应用。

我们的CTO许鹤松博士在意大利FBK研究所期间,师从国际著名SPAD dToF专家David Stoppa,发表了近30篇论文。之后就职于AMS(艾迈斯半导体),负责相关单光子芯片设计工作,积累了非常成熟并且国内罕见的CMOS SPAD设计和量产经验。

其他的核心团队由来自清华大学、华中科技大学、荷兰代尔夫特大学、德国海德堡大学及欧洲顶级射线探测研究机构的专家和学者组成,具备平均10年以上的单光子相关研究背景和产业经验。

其实在我整个学术生涯期间,所有的学习和探索就是围绕单光子传感器件展开的。本人有幸目睹也亲历了整个单光子探测技术的发展,从基本器件的诞生到第一次正式用于商业应用,从一些技术壁垒的出现到通过一批又一批的学者作出一些革命性的技术突破,从SiPM成熟应用在工业医疗等行业到第一颗CMOS SPAD的诞生,几乎是很自然地会想到自己有能力、也有责任在单光子传感方向做一些产业化落地的事,为国内的光电传感事业贡献自己的一份光和热。


Q:您在成立宇称电子之前在基尔霍夫物理研究所的主要研究方向是?

A:我本科就读于清华大学工程物理系,博士期间在海德堡参与了国际直线对撞机项目里面的电子学和探测器的研发工作。这也是人类史上第一次大规模应用蓝光敏感的单光子器件,在此之前,单光子技术只是停留在纸面上和实验室里。这项工作几乎持续了整整十几年,涉及了很多半导体物理底层的探索和实践,我个人也从中积累了很多相关器件的底层设计和量产经验。


Q:听说欧盟单光子传感器项目Sense委员会里,您是在唯一的华人委员,能否向我们简单介绍下这个委员会的背景?

A:这个组织几乎涵盖了欧洲所有单光子领域相关的专家,其中有主导了Broadcom单光子产品的首席工程师、Claudio Piemonte、俄罗斯单光子器件之父Sergey Vinogradov等,我因为负责了史上首颗SiPM的批量应用、性能优化和质量评价的相关任务,并领导了首颗高性能SiPM配套读出ASIC的设计工作,从而入选了Sense项目的专家委员会,这也是对我过去十几年工作的一个肯定。

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Q:您眼中的单光子行业应用目前的发展现状是怎样的?

A:在消费类电子应用中以CMOS SPAD模组形态为主,产品形态分为单点、小面阵和大面阵这几种主流形态,以SONY、AMS和ST为代表的厂商出货为主,目前整个市场体量大约是300-400kk每年,整体处于从单点向面阵逐步演进的阶段,受制于面阵产品的设计和工艺门槛,安卓阵营很难在目前广泛地用上价格和性能达到平衡的单光子dToF 3D模组。同时,何时会有爆款的具体应用来打开消费者对dToF传感器的刚需,并愿意为整个设备价格买单也是充满了不确定性。但是相较于其他传感路线,dToF的长期成本优势,测距距离和精度优势,帧率功耗优势和对算法依赖度低的优势使得它又几乎是未来3D重建场景下的唯一解,所以现在正是国内传感器厂商去追赶并拥抱这个数千亿美元市场的最好时机。

从激光雷达方面的应用来说,正在发生的事情是硅基单光子敏感器件(以SiPM和SPAD为代表的)正在对传统以APD或PIN为核心的分立式接收端进行技术替代,借此实现更高的灵敏度和更好的成像效果。两种路线不同之处在于,SiPM配合其他读出电路,目前能达到远优于SPAD的探测效率和光电表现,因此已经被国内的禾赛、速腾等主流激光雷达厂商应用于主视激光雷达,配合专门的ASIC读出电路之后能进一步大幅降低单光子接受端的成本。而SPAD由于可以在CMOS 工艺下实现,并且能集成读出及算法处理电路,较为适合对分辨率要求高,但距离近的场景。所以配合Flash之类的面阵扫描方案之后可以在辅助雷达的领域里具备更强的竞争力。我们预计2022年底,单光子的方案会在激光雷达领域逐步成熟,甚至可能在近5年里与消费类的相关应用有着接近的起量速度。

最后回到工业和医疗的应用领域中,以蓝绿和紫外单光子的探测较为常见,SiPM相较SPAD更为敏感,应用广泛得多,这方面的产品和设计也是我们独特的竞争优势,我们的SiPM专用读出ASIC已经在PET-CT客户那边完成量产,核心指标世界领先。其他工业监控和安防领域类似,同样对性能追求比较极致,进入门槛相对较高,但是也有广泛的前景。除了能直接联想到的场景外,还有一些比如PM2.5监测,疫情人群管理的方向可以做拓展。


Q:请为我们介绍一下2022年宇称电子具体在各个产品线上的发展现状?

A:今年对我们来说是意义非凡的一年,公司在三大块的下游应用行业里都实现的产品线的落地。工业和医疗方向宇称电子的产品已经得到客户的充分认可,对于国内医疗影像的客户来说我们帮助他们实现了核心传感器芯片的国产替代,在一些具体的工业客户我们也正在对具体的需求开展研发和导入工作,实现一些新的功能或显著提高客户的生产效率;消费类电子方面今年会是公司发展的重点方向,目前在手订单将推动我们的整体营收来到一个新的台阶;激光雷达方向我们也和一些头部厂商达成了战略合作,SPAD、SiPM和ASIC产品均有明确的定制开发进展,也会在今年配合下游形成一些具体方案。


Q:请介绍下单光子未来的发展趋势?

A:那我仅仅从个人观点来谈谈几个我认为是重要的发展趋势:

1.近红外波段探测的消费类的器件CMOS SPAD的集成化发展:

除了现有的电路结构,还有更多功能将进行片上集成。比如前端数据处理、功能算法、成像算法、发光器的驱动和控制,这核心是由于三极管电路可以和SPAD同时加工的原因,同时也是成本端的需求。不过单光子探测器的性能也会受到集成化部分影响,虽然3D堆叠正在尝试解决这个问题,但是它本身也会带来一些性能的损耗,这是原理上不可回避的;

2.在集成度要求不高的应用场合,单光子器件的设计会出现更为细化的针对性:比如,针对特殊的探测波段调整结构和材料,选用更为特殊的定制工艺来进行单光子像素加工;又比如在处理电路这边选用不同的架构来适配不同的探测目的等;

3.除了实现dToF功能,其他的单光子应用场景会逐步出现:比如以光子计数法为基础的大动态范围的摄影摄像、弱光环境成像等;

4.单光子技术会延伸到其他波长光子的探测(远红外,近紫外,甚至是X光波段):这就会涉及会用到Si以外的其他的半导体材料,类似GeSi、InGaAs等。这部分宇称电子已经开始了一些前瞻性的工作,未来具体产品的落地速度也比我们想象中要快。


Q:结合这几年创业的经历,能否和我们交流下您的感悟?

A:我最大的感受是半导体产业的发展客观逻辑和互联网创业有很大不同,能力与人才上的积累是前提,具备跨越经济周期耐心和定力同样重要,面对快速变化的行业需求,在正确的技术和战略发展的路上一步一个脚印扎实做好研发和销售是我们一贯的追求。

最后感谢中国光博会提供的平台,使得更多人来关注整个产业的发展,并给大批的国内外优秀企业创造了很宝贵的交流和商业拓展的机会。