CN103487148B - 基于快速电流感应的单光子探测抑制电路 - Google Patents

Abstract

基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管通过电流源感应模块与输出端连接，雪崩光电二极管与电流源感应模块的连接点通过复位开关与输出端连接，电流源感应模块通过抑制开关与复位开关连接；雪崩光电二极管上所加的电压为雪崩电压V_B与额外电压V_EX之和，当光子到达时APD快速雪崩产生雪崩电流，电流源感应模块感应到电流的增加后发送信号使抑制开关打开，此时APD两端电压低于雪崩击穿电压导致雪崩停止，输出端产生一个电脉冲；电脉冲经过一段时间延时到达复位开关，使电路回到初始接收光子的状态。

Description

基于快速电流感应的单光子探测抑制电路

技术领域

本发明属于单光子探测抑制电路技术领域，涉及一种基于快速电流感应的单光子探测抑制电路。

背景技术

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射（OTDR）、量子密钥分发系统（QKD）等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各国重点研究的课题之一。

单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10^-14W）还要低，用通常的检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并提取出来。

APD单光子探测的抑制方法有：无源抑制法，有源抑制法，门控方法。无源抑制法简单，但恢复时间较长，限制了光子计数的总体性能；有源抑制法虽然比无源抑制法的恢复时间短，但不能有效地减小后脉冲效应和伪触发效应；门控方法能够有效的抑制后脉冲效应和伪触发效应，但门控方法的核心是需要产生一个又高又窄的脉冲，其电路结构复杂，造价高，实现困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，解决现有技术存在的电路结构复杂，造价高，实现困难的问题。

本发明的技术方案是，基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管通过电流源感应模块与输出端连接，雪崩光电二极管与电流源感应模块的连接点通过复位开关与输出端连接，电流源感应模块通过抑制开关与复位开关连接；雪崩光电二极管上所加的电压为雪崩电压V_B与额外电压V_EX之和，当光子到达时APD快速雪崩产生雪崩电流，电流源感应模块感应到电流的增加后发送信号使抑制开关打开，此时APD两端电压低于雪崩击穿电压导致雪崩停止，输出端产生一个电脉冲；电脉冲经过一段时间延时到达复位开关，使电路回到初始接收光子的状态。

本发明的特点还在于：

电流源感应模块包括5个场效应管，5个场效应管都是用增强型MOS管作为开关，其中第一场效应管M1为P型MOS管，第二～第四场效应管都是N型增强型MOS管。

第一场效应管M1提供高电位到输出信号，第二场效应管M2与第三场效应管M3组成电流镜感应电流，电流映射到输出端，第四场效应管M4作为电路的抑制开关，第五场效应管M5是电路的复位开关；A点电位为0相当于接地，电流信号流过第三场效应管M3和第四场效应管M4；第二场效应管M2将第三场效应管M3的电流信号映射过来，输出信号降低，导致作为抑制开关的第四场效应管M4断开，也使A点与地断开；与此同时，由于第三场效应管M3的导通，其栅极G极即A点为高电位，因此A点电位增加；随着A点电位的增加，第一场效应管M1也断开，输出信号经过延时反相电路到达复位开关，第五场效应管M5打开，电路又恢复到初始状态。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的抑制电路在门打开有光到达的时候，APD发生雪崩且快速抑制使门闭合，并且在下次有光到达的时候复位电路，使APD处于接收光的状态，能够在较短的时间（ns级）内完成门的打开与关闭,有效地提高提高了光子计数效率，有效地抑制了噪声。

2、本发明结构简单，探测效率高且灵活性强，适用于量子通信及光纤传感的单光子探测。

附图说明

图1是雪崩光电二极管APD的工作模式图；

图2是本发明基于快速电流感应的单光子探测抑制电路的工作原理图；

图3是本发明基于快速电流感应的单光子探测抑制电路的电路图；

图4是本发明基于快速电流感应的单光子探测抑制电路工作时各节点的状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管通过电流源感应模块与输出端连接，雪崩光电二极管与电流源感应模块的连接点通过复位开关与输出端连接，电流源感应模块通过抑制开关与复位开关连接；雪崩光电二极管上所加的电压为雪崩电压V_B与额外电压V_EX之和，当光子到达时APD快速雪崩产生雪崩电流，电流源感应模块感应到电流的增加后发送信号使抑制开关打开，此时APD两端电压低于雪崩击穿电压导致雪崩停止，输出端产生一个电脉冲；电脉冲经过一段时间延时到达复位开关，使电路回到初始接收光子的状态。

本发明抑制电路中，APD的两端电压高于雪崩击穿电压，当有光到达APD时快速发生雪崩效应，由MOS管组成的电路感应到雪崩电流的增加，由APD出来的信号控制抑制开关使得APD的两端电压低于雪崩电压，以此来抑制APD的雪崩，APD从雪崩发生到停止雪崩产生了一个脉冲信号，脉冲信号经过一段时间延时到达复位开关，使得在下一个门打开的时刻APD处于“盖革模式”。

在门打开有光到达的时候，APD发生雪崩且快速抑制使门闭合，并且在下次有光到达的时候复位电路，使APD处于接收光的状态，有效提高了光子计数效率。

使用APD单光子计数要使其处于“盖革模式”工作，如图1所示。“盖革模式”即APD两端偏压大于雪崩击穿电压，增益增大10倍以上，任何单个光子进入就能使APD发生自持雪崩。两端偏压大于雪崩击穿电压会烧坏APD，所以APD不能长期处于“盖革模式”。因此本发明需要设计一种电路使APD雪崩过后快速抑制，使得APD两端电压低于雪崩击穿电压。

参见图2，初始状态为抑制开关闭合复位开关打开，APD上所加的电压为雪崩电压V_B与额外电压V_EX之和，因此APD处于“盖革模式”；当光子到达时APD快速雪崩产生雪崩电流，感应模块感应到电流的增加后发送信号使抑制开关打开，此时APD两端电压低于雪崩击穿电压导致雪崩停止，输出端产生一个电脉冲；电脉冲经过一段时间延时到达复位开关，使电路回到初始接收光子的状态。

参见图3，此电路只需5个场效应管使其既简单又紧凑，5个场效应管都是用增强型MOS管来作为开关，其中M1为P型MOS管（也称PMOS管），其他都是N型增强型MOS管（也称NMOS管）；PMOS管的特性是栅-源极间电压V_GS小于一定的值就会导通，适合用于源极接电源电压VDD时的情况（高端驱动）；NMOS管的特性是栅-源极间电压V_GS大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动）；雪崩光电二极管与电流源感应模块的连接点A点在第三场效应管M3导通第四场效应管M4（即与地）断开的情况下电位开始增加的。电路工作过程是：在初始状态时光子还未到达，A点电位为0相当于接地，M1的源极S端接高电位VDD，则M1处于闭合状态，输出端为高电位；M4的栅极G端接输出端高电位则M4处于低阻抗状态。当APD接收到光子发生了雪崩，A点电流快速增加并流过M3、M4。因为M2与M3构成一个电流镜，电流镜也称为镜像电流源(Current Source)，当在它的输入端输入一个参考电流I_r时，输出端将输出一个大小和方向都等于参考电流方向的输出电流I_o，即如果两个相同MOS管的栅源电压相等，那么沟道电流也相同。图中M2与M3组成的是一个基本的电流镜，M2和M3管都工作于饱和区，M2与M3栅极G都接于A点且它们的源极S都接地，则M2与M3的栅-源极间电压存在以下关系

V_GS2＝V_GS3    (1)

M2和M3管的漏电流为

$I_{D2}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}{(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}})}^2---\left(2\right)$

$I_{D3}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M3}{(V_{\mathrm{GS}3}-V_{\mathrm{TH}})}^2---\left(3\right)$

其中，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，μ_n为自由电子迁移率，W是沟道宽度，L是沟道长度，V_TH是开启电压。因此，理想情况下M2和M3管的漏电流满足一定的比例关系

$\frac{I_{D3}}{I_{D2}}=\frac{{(W/L)}_{M3}}{{(W/L)}_{M2}}---\left(4\right)$

由此可知通过调整M2管和M3管的宽长比的比值，可以得到期望的输出电流值。若M2与M3管采用相同的MOS管型号，I_D2＝I_D3，所以能将M3的电流映射到M2使M2导通，输出端电压下降成低电位；输出端电位的下降使M4处于打开状态，A点电位增加抑制了APD的雪崩；输出端信号经过延时电路使信号延时Δt后再反相到达M5，使M5处于闭合状态，A点接地恢复到初始状态，即复位成功。

参见图4，a为APD的雪崩脉冲，b为A点电压，c为输出端B点的电压，d为复位端C点的电压。由a可以看出APD雪崩抑制是发生A点电位增加到一定值（即APD两端电压小于雪崩电压）时，此后APD停止雪崩；从c、d可以看出，在B点电压减少到阈值后经历Δt才会有复位信号到达C点；复位信号到达复位端C点后，A点电压快速恢复到低电位，B点电压恢复高电位；循环往复，以此来探测所需点的信号。

Claims (2)

1.基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，其特征在于：包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管通过电流源感应模块与输出端连接，雪崩光电二极管与电流源感应模块的连接点通过复位开关与输出端连接，电流源感应模块通过抑制开关与复位开关连接；雪崩光电二极管上所加的电压为雪崩电压V_B与额外电压V_EX之和，当光子到达时APD快速雪崩产生雪崩电流，电流源感应模块感应到电流的增加后发送信号使抑制开关打开，此时APD两端电压低于雪崩击穿电压导致雪崩停止，输出端产生一个电脉冲；电脉冲经过一段时间延时到达复位开关，使电路回到初始接收光子的状态。

2.如权利要求1所述的基于快速电流感应的单光子探测抑制电路，其特征在于：电流源感应模块包括5个场效应管，5个场效应管都是用增强型MOS管作为开关，其中第一个场效应管M1为P型MOS管，第二～第四个场效应管都是N型增强型MOS管；

其中，第一场效应管M1提供高电位到输出信号，第二场效应管M2与第三场效应管M3组成电流镜感应电流，电流映射到输出端，第四场效应管M4作为电路的抑制开关，第五场效应管M5是电路的复位开关；A点电位为0相当于接地，电流信号流过第三场效应管M3和第四场效应管M4，第二场效应管M2将第三场效应管M3的信号映射过来，输出信号降低，导致作为抑制开关的第四场效应管M4断开，也使A点与地断开；与此同时，由于第三场效应管M3的导通，其栅极G即A点为高电位，因此A点电位增加；随着A点电位的增加第一场效应管M1也断开，输出信号经过延时反相电路到达复位开关，第五场效应管M5打开，电路又恢复到初始状态。