单光子探测是一种极弱光探测技术,在量子信息,生物极弱光成像,空间激光通信,激光雷达,天文观测,低可视目标探测等领域具有重大的应用前景,是各国争相发展的前沿技术。尤其是近红外波段在光纤通信中具有两个低损耗窗口、具有人眼安全性、并且适合夜晚环境、大气衰减小等特点,更加受到了广泛关注。在可见光波段,硅材料的光电雪崩二极管是理想的单光子探测器件；而在近红外波段,InGaAs/InP光电雪崩二极管具有很大的优势。不同于传统的线性工作模式,单光子探测的光电雪崩二极管偏置于击穿电压之上,称为盖革模式,这时光电雪崩二极管具有无限大的增益,即使一个光子也可以触发自持续的雪崩,产生可观测的电信号。虽然盖革模式光电雪崩二极管可以探测到单个光子,但是也带来一系列诸如暗计数、后脉冲等问题。而且如果要实现单光子成像,就需要对近红外光电雪崩二极管阵列信号进行处理。所以,设计与实验室研制的InGaAs/InP光电雪崩二极管匹配的集成化探测电路成为关键问题。本文的主要内容是与实验室研制的InGaAs/InP光电雪崩二极管匹配的集成化探测电路的研究,主要创新点包括以下几个方面：(1)提出两种高速单光子探测电路采用传统的外部逻辑门控电路只能达到20 MHz左右的门控频率,且门宽很难做到很窄的程度。针对这些问题,基于FPGA低成本灵活可配置的特点和高速ECL比较器,本文设计了一个基于FPGA的窄门控模式的100MHz近红外单光子探测器,具有小型化、易调节的特点。同时该系统对于测试单光子雪崩二极管的性能起到了很大的作用。为了能够提取弱的雪崩信号,并且借鉴互差分电路的优越性,本文提出了基于集成双SPAD的双平衡差分高速电路结构,有效SPAD的输出信号先和平衡支路的遮光SPAD输出信号相减,再和移相衰减的正弦驱动信号相减,这样能够有效的鉴别出微弱的雪崩信号,实现了400 MHz的高速门控探测。这两种高速门控电路为单光子探测器的高速化应用提供了简单可靠的方法,为高速集成化设计提供了思路。(2)与实验室InGaAs/InP SPAD匹配的两种淬灭电路由于InGaAs材料的带隙宽度小,热噪声造成的暗计数大,所以InGaAs/InP SPAD一般工作在门控模式下。但是在很多应用中,比如激光雷达,光子是随机到来的,不与门控信号同步,所以InGaAs/InP SPAD也有工作在自由运行模式的需求。本文设计了主动反馈淬灭主动复原集成读取电路来快速地对雪崩信号进行淬灭,并且快速地恢复。这样可以很大程度减小流过器件的雪崩电流,从而减小载流子滞留造成的后脉冲现象。分析了光电雪崩二极管发生雪崩的过程,发现被动淬灭的过程是很快的,而被动恢复过程却很慢。所以利用这个特点,本文结合被动淬灭和变电阻淬灭方式,设计了混合被动变电阻淬灭主动复原集成读取电路,发现在这种电路中的淬灭虽然较慢,但是过冲现象大大减小。这两种淬灭电路与本实验室的InGaAs/InP SPAD的电子学特性匹配良好,能够配合其完成感测、淬灭、死区时间控制、复原、计数等一系列动作。(3)多光子探测电路和阵列集成电路盖革模式的光电雪崩二极管只能探测到的光子的有和无,没有办法对光子数进行分辨。本文提出了一种多光子探测器,基于单个像素的淬灭电路设计了具有15个光子分辨能力的多光子探测电路,它将光电雪崩二极管前端淬灭电路的输出脉冲进行叠加,从而输出一个和光子数成正比的电压脉冲,可以与激光测距产品直接匹配。阵列读出是实现单光子成像器件的关键,本文对阵列读出的关键问题：阵列集成和总线读出进行了详细分析和设计。本文实现了1×8的线阵和8×8的面阵,像素之间一致性高。对8×8的阵列采用的是全并行的集成方法,像素数据顺序读出,并通过UART串行总线将数据上传,为更大规模的阵列集成奠定了基础。