CN105043563A - 一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法，积分门控单光子探测器的积分电容放电电路采用两个并联反接的光电二极管PIN与电荷积分电容相接连，在不同时刻分别对两个光电二极管PIN加上不同光功率的光脉冲，可以释放掉电荷积分电容上的电荷，对下一个雪崩信号进行信号采集。本发明的优点在于没有电荷注入效应，释放积分电容上电荷的速度快。

Description

一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别是涉及一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法。

背景技术

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、量子密钥分发系统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，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

在单光子探测实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管APD作为探测器件的方案。根据APD雪崩方式的不同，单光子探测器中的APD工作方式有三种：无源抑制、有源抑制和门控模式。现阶段工作在红外波段的APD主要采用门控模式的工作方式。门控模式的基本原理是，直流电压通过电阻R加载到APD的阴极，直流电压低于APD的雪崩电压。只有当光信号到达时，门控脉冲的高电平加载到APD上，使其偏置电压高于雪崩击穿电压，从而获得足够大的增益，进行单光子探测。

门控模式可以很好的减少暗计数和后脉冲，但同时由于高速的门控脉冲会通过APD的结电容耦合到探测电路上，在门控脉冲的上升沿和下降沿分别产生正负的电尖峰，导致错误计数。为了消除门控噪声，目前消除电尖峰比较好的方案是采用积分门控的方案。

积分门控实现单光子探测需要对积分电容上积分的电荷进行释放，积分电容放电的速度直接决定探测器的探测速度，因此提高单光子探测器的探测速度是现阶段急需解决的问题。目前主要采用电子开关来对积分电容进行充放电，电子开关会产生电荷注入效应，增大测量误差，并且CMOS开和关的时间多余10ns，导致探测器的速度不会高于100MHz。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明首先提供了一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路。其中积分电容与PIN光电二极管并联连接，利用流过PIN光电二极管的电荷数与输入光子数成正比的特点，通过给PIN光电二极管输入合适的光子数来达到给积分电容放电的目的。

因为每个积分周期中，积分电容上的电荷数是随机的，如果采用单个PIN光电二极管连接积分电容时，无法确定给PIN光电二极管输入多少光子数，并不能达到释放积分电容上的电荷的目的，因此本发明通过两个反向并联的PIN光电二极管对积分电容进行放电。

光电二极管PIN1先通入较强的光强，使其进入饱和状态，积分电容充上确定的电荷数，达到饱和状态的光电二极管PIN1的阻抗R会降至几个欧姆，并且此时PIN2光电二极管处于反偏状态，呈高阻态。这个期间可以通过光电二极管PIN1释放原积分电容上积累的雪崩和电尖峰产生的电荷，使得电荷积分电容C0上保持确定的电荷数；之后光电二极管PIN2再通入合适的光强，使得光电二极管PIN2的光生载流子数等于积分电容上的电荷数，这样就能够迅速地使积分电容上的电压归零，此时两个光电二极管PIN1、PIN2都处于零偏的状态，它们的阻抗R的阻值到达MΩ级别，两个光电二极管对电荷积分电容C0放电忽略不计，之后就可以通过积分电容对雪崩和电尖峰产生的电荷进行积分。

本发明的又一目的是提出一种积分门控单光子探测器的积分电容放电方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极连接，所述门控脉冲发生器通过电容C1与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极连接电荷积分电容C0的一端；

所述积分电容放电电路还包括两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2，两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2的两端分别与电荷积分电容C0的两端连接，电荷积分电容C0的一端还连接运算放大器输入端，电荷积分电容C0的另一端接地，连接图如图(1)所示。

一种所述的电路的放电方法，包括以下步骤：

1)所述的雪崩光电二极管APD通过所述的偏置电压单元被偏置在雪崩电压之下；

2)所述的两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2输入的激光脉冲与来自所述的门控脉冲发生器的门控电压同步，在每个探测周期开始的时候光电二极管PIN1先通入激光脉冲，产生的光电流对电荷积分电容C0进行充电至饱和；

注：PIN光电二极管在通入强光，会产生强光电流以及具有饱和电压值。PIN光电二极管与电荷积分电容C0等效电路图如图(2)所示，当PIN光电二极管饱和时，积分电容上不会有电流流过，则产生的光电流全部从PIN光电二极管中流过：

I_L＝I₀[exp(qV/kT)-1](1)

其中I_L与光照射的光功率P成正比，这样就可以通过转化得到光功率P与饱和电压V的曲线如图(3)所示。当光功率为8mW时，饱和电压达到470mV。

光电二极管PIN通入的光强越强，二极管达到饱所需的时间越少。根据光电二极管PIN与电荷积分电容C0等效电路图，得到电荷积分电容充电时刻的动态方程：

$C\frac{dU}{dt}=I_0(1-\exp (qV/kT\left)\right)+I_L---\left(2\right)$

这里I_L取8mW光强所对应的光电流，当电荷积分电容C0初始值为0时，得到电荷积分电容两端电压随着时间t变化的曲线，如图(4)所示，达到饱和电压所需要时间为600ps。当电荷积分电容C0初始值不为0时，假设初始值为0.1V，电荷积分电容C0电压随着时间t变化的曲线如图(5)所示，饱和电压保持不变，达到饱和电压所需要时间为500ps。积分电容上的初始值不会影响饱和电压的大小，会影响达到饱和电压的时间，但是达到饱和电压的时间不会超过初始值为0的情况。

光电二极管PIN在通入激光脉冲达到饱和电压的时候，光电二极管的阻抗R会降至几个欧姆，光电二极管PIN阻抗R可通过正偏电压计算出来，正偏电压V与光电二极管PIN阻抗R曲线如图(6)所示。在通入激光脉冲的过程中释放原积分电容上积累的信号电荷，使得电荷积分电容C0上的电压保持饱和的电压。在激光脉冲结束后，光电二极管PIN低阻态仍然会放掉一小部分饱和电压时的电荷，但是随着电荷的释放，光电二极管PIN表现阻抗会提高，放电越来越慢，由于本发明是高速的电荷积分电容C0放电电路，所以激光脉冲结束后短暂时间内放电可不计。

3)然后光电二极管PIN2通入激光脉冲，产生相反的光电流，释放电荷积分电容C0的饱和电压至零，此时电荷积分电容C0处于初始状态，能够对雪崩和电尖峰产生的电荷进行积分；

注：光电二极管PIN在反偏电压状态下，光电二极管PIN不会对电荷积分电容C0进行放电。在正偏电压为U时，可以根据PN结二极管的伏安特性方程(又称肖克莱方程)：

I＝I₀[1-exp(qV/kT)]+I_L(3)

计算出光电二极管PIN阻抗R，通过R的大小来衡量电荷积分电容C0进行放电时间的快慢。其中

$R=\frac{kT}{{\mathrm{qI}}_0}\frac{1}{\exp (qV/kT)}---\left(4\right)$

公式中I₀为无光照的反向饱和电流，通常取0.1nA；V是光电二极管PIN的端电压(正向电压为正，反向电压为负)；q电子电荷为1.6×10-19C；k波耳兹曼常数为1.38×10-23J/K；T结温为室温300K；I_L是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照射的光功率成正比。正偏电压V与光电二极管PIN阻抗R曲线如图(6)所示，当正偏电压小于100mv，此时R的阻值到达MΩ级别，光电二极管PIN对电荷积分电容C0放电忽略不计。

4)之后来自所述的门控脉冲发生器的门控电压与所述的雪崩光电二极管APD的输入激光脉冲同步，通过所述的电容C1耦合到所述的雪崩光电二极管APD的阴极，使有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上；

5)电荷积分电容C0开始对来自所述的雪崩光电二极管APD的光信号产生的光电流和电尖峰产生的电流进行积分，形成电压信号；

6)积分电压信号通过所述的运算放大器放大输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是

(1)对光电二极管PIN1通入脉宽为1ns，峰值功率为8mW的光脉冲充电至饱和，可以重置积分电容上的电荷数，对反接的光电二极管PIN2通入脉宽为1ns的光，可以释放积分电容上面的电荷数，并且在给积分电容放电的过程中不会有电荷注入效应。

(2)PIN光电二极管在通光的瞬间就会产生光电流，给积分电容C0充放电，实现2ns重置积分电容电荷，之后加上提取信号的时间，可实现200MHz以上的探测速度。随着以后激光器的发展，激光脉宽越来越窄，功率越来越高，速度还会进一步提高。

附图说明

图1是积分门控单光子探测器的积分电容放电电路的原理图。

图2是PIN光电二极管与电荷积分电容等效电路图。

图3是光功率与PIN光电二极管饱和电压的关系曲线图。

图4是PIN光电二极管通光后积分电容电压随着时间t变化的曲线图。

图5是电荷积分电容初始值为0.1V时，PIN光电二极管通光后电荷积分电容电压随着时间t变化的曲线图。

图6是PIN光电二极管阻抗随着端电压变化曲线图。

图7是实例的光路图。

图8是两个PIN光电二极管充放电后得到的稳定的波形图。

图9是雪崩光电二极管APD加入光信号之后得到的波形图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极连接，所述门控脉冲发生器通过电容C1与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极连接电荷积分电容C0的一端；所述积分电容放电电路还包括两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2，两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2的两端分别与电荷积分电容C0的两端连接，电荷积分电容C0的一端还连接运算放大器输入端，电荷积分电容C0的另一端接地。通过对所述的两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2通入激光脉冲，释放所述电荷积分电容C0上的电荷。

上述PIN光电二极管的带宽：1.5GHz，响应度：1550nm，光强1mw，0.9A/W，暗电流：0.1nA；反偏电压5V时，结电容为0.5pF；PIN光电二极管在通入强时，二极管两端的电压会得到饱和，饱和电压值为PIN光电二极管的内建电场电压值。

上述光源采用脉冲光源，其波长：1550nm；脉宽、频率、功率均可调；作为PIN光电二极管的光源，实现积分电容的充电和放电。

上述运算放大器采用OPA657，输入阻抗：10¹²Ω；输入偏置电流：2PA；带宽：275MHz(增益为10)；高输入阻抗的运算放大器不会释放掉积分电容上的电荷，低输入偏置电流，不会影响积分电容的充放电。

本实施方式使用一个脉冲光源脉宽5ns，用分束器控制光源通道，用衰减器控制光功率，光纤长度控制脉冲到达的时间。实验光路图如图(7)所示。因为实验室条件限制，激光器的重复频率为10MHz，功率可调，激光器到达光电二极管PIN1光纤长度为2m，功率为22uW到达光电二极管PIN2光纤长度为12m，功率可由衰减器控制，通过调节衰减器的大小可以得到稳定的充放电波形图，如图(8)所示。

在电平较低的那一段时间可以用来进行信号的提取，本实例中，在低电平时间段通入弱光信号，可以得到如图(9)所示的波形。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极连接，所述门控脉冲发生器通过电容C1与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极连接电荷积分电容C0的一端；其特征在于，

所述积分电容放电电路还包括两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2，两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2的两端分别与电荷积分电容C0的两端连接，电荷积分电容C0的一端还连接运算放大器输入端，电荷积分电容C0的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的积分门控单光子探测器的积分电容放电电路，其特征在于，通过对所述的两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2通入激光脉冲，释放所述电荷积分电容C0上的电荷。

3.一种应用于权利要求2所述的电路的放电方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）所述的雪崩光电二极管APD通过所述的偏置电压单元被偏置在雪崩电压之下；

2）所述的两个并联反接的PIN光电二极管PIN1、PIN2输入的激光脉冲与来自所述的门控脉冲发生器的门控电压同步，其中一个PIN光电二极管先通入激光脉冲，产生的光电流对电荷积分电容C0进行充电至饱和；

3）然后另外一个PIN光电二极管通入激光脉冲，产生相反的光电流，释放电荷积分电容C0的饱和电压至零，此时电荷积分电容C0处于初始状态，能够对雪崩信号和电尖峰进行积分；

4）之后来自所述的门控脉冲发生器的门控电压与所述的雪崩光电二极管APD的输入激光脉冲同步，通过所述的电容C1耦合到所述的雪崩光电二极管APD的阴极，使有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上；

5）电荷积分电容C0开始对来自所述的雪崩光电二极管APD的光信号产生的光电流和电尖峰产生的电流进行积分，形成电压信号；

6）积分的电压信号通过所述的运算放大器放大输出。