CN106052861B - 一种硅光电倍增器测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅光电倍增器测试系统，包括驱动模块、光源模块、硅光电倍增器单元、暗箱、比较电路模块、电源模块、逻辑分析仪及计算机。在该测试系统中，驱动模块产生模拟脉冲驱动信号来驱动光源产生光脉冲，光脉冲作为光激励作用在硅光电倍增器单元上，使硅光电倍增器产生模拟脉冲响应信号。放大电路模块通过对模拟脉冲响应信号的幅值进行判定，从而以数字脉冲的形式标记能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器。带有标记信息的数字脉冲信号经逻辑分析仪转换和记录之后传输到计算机，进而进行相应的数据分析和存储。本发明的测试系统具有简单、高效、可批量测试等优点，可方便地用于硅光电倍增器产品的大规模测试。此外，本发明还公开了一种利用前述测试系统对硅光电倍增器进行测试的测试方法。

Description

一种硅光电倍增器测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及微电子或光电子测试领域，特别是涉及一种硅光电倍增器的测试系统及测试方法。

背景技术

硅光电倍增器是一种利用半导体雪崩倍增机制对极微弱光进行精确探测的新型半导体器件。其探测单元由二极管和淬灭电阻组成，在合适的工作电压下，探测单元对入射光子响应并产生模拟脉冲信号，各探测单元产生的模拟脉冲响应信号叠加后经硅光电倍增器的信号端输出。相比于传统的真空电子管探测技术，硅光电倍增器具有诸多优异特性如高内部增益、单光子响应能力和高速时间响应特性，低工作电压以及绝佳的磁场兼容性和良好的机械性能，使其广泛应用于核医学、分析检测、工业监测、国土安全等国民经济的诸多领域，是未来光电探测器的发展方向，具有巨大的应用前景。对硅光电倍增器性能优劣的评估，是其实际应用中非常重要的一步。

目前硅光电倍增器性能的主要评估方法为单光子谱测试法。这种方法是将极微弱的光(单位时间平均入射光子数目为个位数)以一定频率照射到硅光电倍增器的光敏面上，统计硅光电倍增器输出信号的电荷值，并以柱状图的形式将结果展现出来。该柱状图就是硅光电倍增器的单光子谱图。测试人员可通过该方法评估硅光电倍增器的单光子响应能力，并准确获取其内部增益。

然而单光子谱测试有不能忽视的缺点。首先，单光子谱是硅光电倍增器性能和测试系统噪声的综合体现，测试结果图形复杂且多变，若直接以图形的好坏判定硅光电倍增器性能的优劣，则需要操作人员拥有极为丰富的测试经验。同时由于是目视检测，这种测试方法工作效率受到极大限制，且容易造成误判。其次，若需以定量结果(如内部增益)来判定硅光电倍增器性能的优劣，则需要对测试得到的单光子谱进行拟合分析，分析结果的准确度和精度受拟合质量影响，需多次拟合才能获得可靠结果，无法快速判定硅光电倍增器的性能优劣。因此，单光子谱测试法更加适用于研发阶段对少量硅光电倍增器进行性能评价，若将其用于批量测试存在容易误判、判定效率低等问题。

在具体的应用中，响应信号幅值的大小也是选择硅光电倍增器的一个重要指标。若信号幅值较小，则会给应用系统带来一定的复杂度(比如需要设计额外的放大电路来对信号进行放大处理)，进而增加系统的成本，这并不利于硅光电倍增器的应用发展。因此，提出一种针对实际应用且能快速测试硅光电倍增器性能优劣的测试系统及测试方法，对硅光电倍增器的进一步发展十分重要。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，而提供一种硅光电倍增器测试系统及测试方法，用于解决硅光电倍增器的传统测试系统测试效率低、容易误判的技术难题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种硅光电倍增器测试系统，包括驱动模块、光源模块、硅光电倍增器单元、暗箱、比较电路模块、电源模块、逻辑分析仪及计算机；其特征在于，所述驱动模块与所述光源模块通信连接，所述驱动模块产生模拟脉冲信号作为所述光源模块的输入信号，用于驱动该光源模块产生光脉冲；所述光源模块产生的光脉冲作为硅光电倍增器单元的输入信号为硅光电倍增器提供光激励，所述光脉冲均匀照射在所述硅光电倍增器单元中各个硅光电倍增器的光敏面上；所述硅光电倍增器单元放置在暗箱中，所述暗箱用于隔绝外界环境中的光；所述比较电路模块分别与所述硅光电倍增器单元及所述驱动模块通信连接；所述硅光电倍增器单元产生的模拟脉冲响应信号作为比较电路模块的输入信号，用于与预先设置的固定阈值进行比较，从而筛选出能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器；所述驱动模块产生的用来驱动所述光源模块的模拟脉冲信号同步作为比较电路模块的其他输入信号，经所述比较电路模块之后产生相应的数字脉冲信号，用于为所述逻辑分析仪提供触发信号；所述逻辑分析仪与比较电路模块通信连接，用于在所述逻辑分析仪被触发之后记录所述比较电路模块筛选出的能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器的信息；所述计算机与所述逻辑分析仪通信连接，用于对所述逻辑分析仪记录的信息进行分析、处理和保存；所述电源模块用于为驱动模块、硅光电倍增器单元、比较电路模块以及逻辑分析仪提供供电。

进一步的，所述比较电路模块中预先设定的固定阈值根据硅光电倍增器的输出响应信号为电流脉冲信号或电压脉冲信号而相应地设定为电流阈值或电压阈值；所述比较电路模块和逻辑分析仪的最大工作频率大于所述硅光电倍增器单元的信号产生频率。

进一步的，所述硅光电倍增器测试系统，还包括一延时单元；所述延时单元分别与驱动模块及光源模块通信连接，所述驱动模块产生的模拟脉冲信号经延时单元延时后，作为所述光源模块的输入信号用来驱动该光源模块产生光脉冲；所述延时单元用于确保所述硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号在所述逻辑分析仪的触发信号之后传送到所述逻辑分析仪中；所述电源模块同时也用于为所述延时单元提供供电。

进一步的，所述硅光电倍增器测试系统，还包括一放大电路模块；所述放大电路模块分别与硅光电倍增器单元及比较电路模块通信连接；所述硅光电倍增器单元产生的模拟脉冲响应信号作为所述放大电路模块的输入信号，经该放大电路模块进行信号放大之后，输入到所述比较电路模块中；所述电源模块同时也用于为所述放大电路模块提供供电。

进一步的，为方便对大批量的硅光电倍增器进行同时测试，本发明还提供了便于批量测试的测试系统技术方案：根据本发明所提出的前述硅光电倍增器测试系统，其特征在于，所述硅光电倍增器单元至少包含一个硅光电倍增器；所述光源模块包含一个光源及至少一根光纤，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一根光纤，所述每一根光纤均垂直位于每一个硅光电倍增器光敏面的正上方；所述光源模块中的光纤规则排列，用于将光源产生的光均匀分割，进而均匀照射到每一个硅光电倍增器光敏面上；所述暗箱设置有暗格，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一个暗格，测试时暗格彼此之间可以实现光隔离；所述放大电路模块包含至少一个放大电路单元，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一个放大电路单元；所述比较电路模块至少包含两个比较器单元，且所述驱动模块对应一个比较器单元，所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器也均对应一个比较器单元；所述逻辑分析仪至少包含两个数据通道，所述比较电路模块中的每一个比较器单元均对应一个数据通道，且与驱动模块所对应的数据通道作为触发信号通道，用于触发其他数据通道的工作。

此外，本发明还提供了一种用于所述硅光电倍增器测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S61，打开电源模块，并进行相应的设置，使得系统中各单元或模块供电正常，且均能正常工作；特别地，设置电源模块，使得硅光电倍增器单元中的各个硅光电倍增器均工作在盖革模式下；

S62，依次打开驱动模块、延时单元、放大电路模块、比较电路模块和逻辑分析仪，进行系统的启动准备；

S63，打开计算机，运行相应的数据接收和处理软件，准备进行数据的接收和处理；

S64，对驱动模块进行设置，设置驱动光源模块所需的模拟脉冲信号的幅值、周期等相关参数，随后开启脉冲信号的输出；

S65，在计算机上对逻辑分析仪传输的数据进行分析、处理和保存。

本发明的有益效果是可以快速且准确地测试硅光电倍增器的性能优劣。首先，硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号经比较电路单元后输出数字脉冲信号，数字脉冲的有无就直接表示了硅光电倍增器的幅值是否大于所设定的固定阈值。因此，这种方法可以直观判定，不易误判，且对测试人员经验无较高要求。其次，通过软件统计多次测量后输出的高低电平信号数目，便可定量评估硅光电倍增器对入射光的响应情况，进一步提高评估的准确度。同时该测试过程不局限于单路信号，可同时对多个硅光电倍增器产生的信号同时进行判定，使本方法具有批量测试的能力。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例1的系统框图；

图2是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例2的系统框图；

图3是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例3的系统框图；

图中，各标号的含义如下：10–驱动模块；20–延时单元；30–光源模块；40–硅光电倍增器单元；41–暗箱；50–放大电路模块；51–放大电路单元1；52–放大电路单元n；60–比较电路模块；61–比较器单元1；62–比较器单元n；70–逻辑分析仪；80–电源模块；90–计算机；

具体实施方式

实施例1

附图1是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例1的系统框图。一种硅光电倍增器测试系统，包括驱动模块10、光源模块30、硅光电倍增器单元40、暗箱41、比较电路模块60、电源模块80、逻辑分析仪70及计算机90；其特征在于，所述驱动模块10与所述光源模块30通信连接，所述驱动模块10产生模拟脉冲信号作为所述光源模块30的输入信号，用于驱动该光源模块30产生光脉冲；所述光源模块30产生的光脉冲作为硅光电倍增器单元40的输入信号为硅光电倍增器提供光激励，所述光脉冲均匀照射在所述硅光电倍增器单元40中各个硅光电倍增器的光敏面上；所述硅光电倍增器单元40放置在暗箱41中，所述暗箱41用于隔绝外界环境中的光；所述比较电路模块60分别与所述硅光电倍增器单元40及所述驱动模块10通信连接；所述硅光电倍增器单元40产生的模拟脉冲响应信号作为比较电路模块60的输入信号，用于与预先设置的固定阈值进行比较，从而筛选出能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器；为了便于对硅光电倍增器单元40输出的模拟脉冲响应信号进行幅值筛选，所述比较电路模块60中预先设定的固定阈值可根据硅光电倍增器的输出响应信号为电流脉冲信号或电压脉冲信号而相应地设定为电流阈值或电压阈值；所述驱动模块10产生的用来驱动所述光源模块30的模拟脉冲信号同步作为比较电路模块60的其他输入信号，经所述比较电路模块60之后产生相应的数字脉冲信号，用于为所述逻辑分析仪70提供触发信号；所述逻辑分析仪70与比较电路模块60通信连接，用于在所述逻辑分析仪70被触发之后记录所述比较电路模块60筛选出的能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器的信息；所述计算机90与所述逻辑分析仪70通信连接，用于对所述逻辑分析仪70记录的信息进行分析、处理和保存；所述电源模块80用于为驱动模块10、硅光电倍增器单元40、比较电路模块60以及逻辑分析仪70提供供电。

由于硅光电倍增器的输出信号为模拟脉冲响应信号，为确保硅光电倍增器产生的信号都能被比较电路模块60和逻辑分析仪70处理，所述比较电路模块60和逻辑分析仪70的最大工作频率大于所述硅光电倍增器单元40的信号产生频率。

为方便对大批量的硅光电倍增器进行同时测试，进一步的，本实施例中的硅光电倍增器测试系统还具有如下特征：所述硅光电倍增器单元40至少包含一个硅光电倍增器；所述光源模块30包含一个光源及至少一根光纤，且所述硅光电倍增器单元40中的每一个硅光电倍增器均对应一根光纤，所述每一根光纤均垂直位于每一个硅光电倍增器光敏面的正上方；所述光源模块30中的光纤规则排列，用于将光源产生的光均匀分割，进而均匀照射到每一个硅光电倍增器光敏面上，如此便可确保每一个硅光电倍增器所接收到的光通量基本相同；所述暗箱41设置有暗格，且所述硅光电倍增器单元40中的每一个硅光电倍增器均对应一个暗格，测试时暗格彼此之间可以实现光隔离，这样便可减少相邻硅光电倍增器之间的光干扰；所述比较电路模块60至少包含两个比较器单元，且所述驱动模块10对应一个比较器单元，所述硅光电倍增器单元40中的每一个硅光电倍增器也均对应一个比较器单元；所述逻辑分析仪70至少包含两个数据通道，所述比较电路模块60中的每一个比较器单元均对应一个数据通道，且与驱动模块10所对应的数据通道作为触发信号通道，用于触发其他数据通道的工作。

比较电路模块60对能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器进行筛选原理是，若硅光电倍增器单元40中的某一个硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号的幅值高于预先设置的固定阈值，则比较电路模块60中相应的比较器单元便输出高电平信号；反之，若某一个硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号的幅值低于预先设置的固定阈值，则比较电路模块60中相应的比较器单元便输出低电平信号，这样能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器便被高电平所标记。

比较电路模块60输出的高低电平信号在逻辑分析仪70被触发信号触发后，送入逻辑分析仪70相应的数据通道进行相应的转换和记录；最后，逻辑分析仪70所转换和记录的信号被传输到计算机90接收，经计算机90中相应的数据接收和处理软件的处理，被标记的能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器的信息便被计算机90所分析和保存了。

实施例2

附图2是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例2的系统框图。实施例2与实施例1的区别在于，所述硅光电倍增器测试系统中还包含有延时单元20。所述延时单元20分别与驱动模块10及光源模块30通信连接，所述驱动模块10产生的模拟脉冲信号经延时单元20延时后，作为所述光源模块30的输入信号用来驱动该光源模块产生光脉冲；所述延时单元20用于确保所述硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号在所述逻辑分析仪70的触发信号之后传送到所述逻辑分析仪70中；所述电源模块80同时也用于为所述延时单元20提供供电。本实施例中增加了延时单元20，确保了逻辑分析仪70的触发信号先于硅光电倍增器单元40的信号到达逻辑分析仪70，这样在逻辑分析仪70的工作周期内，便不会遗漏对任何一个硅光电倍增器的输出响应信号的处理。

实施例3

附图3是本发明所提出的硅光电倍增器测试系统实施例3的系统框图。实施例3与实施例2的区别在于，所述硅光电倍增器测试系统中还包含有放大电路模块50。所述放大电路模块50分别与硅光电倍增器单元40及比较电路模块60通信连接；所述硅光电倍增器单元40产生的模拟脉冲响应信号作为所述放大电路模块50的输入信号，经该放大电路模块50进行信号放大之后，输入到所述比较电路60模块中；所述电源模块80同时也用于为所述放大电路模块50提供供电。同样地，为了使本实施例便于对大量的硅光电倍增器进行批量测试，所述放大电路模块50包含至少一个放大电路单元，且所述硅光电倍增器单元40中的每一个硅光电倍增器均对应一个放大电路单元。本实施例中增加了放大电路模块50，其目的是对硅光电倍增器的输出信号进行放大，使之满足放大电路模块50对输入信号幅值的要求。通常，硅光电倍增器的输出信号幅值在几十毫伏至几百毫伏之间。较低的硅光电倍增器输出信号幅值，会给比较电路模块60中预先设置的固定阈值的设定带来一定的难度，因为需要对所设阈值的精度、稳定性进行严格的控制，这无疑增加了系统的复杂度和设计成本。加入放大电路模块50后，便可降低对阈值的精度和稳定性的要求，使系统的设计更加简单、高效。

相应的，本实施例还提供了利用上述硅光电倍增器测试系统进行测试的方法。所述测试方法包括以下测试步骤：

S61，打开电源模块，并进行相应的设置，使得系统中各单元或模块供电正常，且均能正常工作；特别地，设置电源模块，使得硅光电倍增器单元中的各个硅光电倍增器均工作在盖革模式下；

S62，依次打开驱动模块、延时单元、放大电路模块、比较电路模块和逻辑分析仪，进行系统的启动准备；

S63，打开计算机，运行相应的数据接收和处理软件，准备进行数据的接收和处理；

S64，对驱动模块进行设置，设置驱动光源模块所需的模拟脉冲信号的幅值、周期等相关参数，随后开启脉冲信号的输出；

S65，在计算机上对逻辑分析仪传输的数据进行分析、处理和保存。

本发明可以快速且准确地测试硅光电倍增器的性能优劣，且测试方法简单直观，不易误判，且对测试人员经验无较高要求。其次，本发明具有对大规模硅光电倍增器产品进行批量测试的能力。

上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本发明而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硅光电倍增器测试系统，包括驱动模块、光源模块、硅光电倍增器单元、暗箱、比较电路模块、电源模块、逻辑分析仪及计算机；其特征在于，所述驱动模块与所述光源模块通信连接，所述驱动模块产生模拟脉冲信号作为所述光源模块的输入信号，用于驱动该光源模块产生光脉冲；所述光源模块产生的光脉冲作为硅光电倍增器单元的输入信号为硅光电倍增器提供光激励，所述光脉冲均匀照射在所述硅光电倍增器单元中各个硅光电倍增器的光敏面上；所述硅光电倍增器单元放置在暗箱中，所述暗箱用于隔绝外界环境中的光；所述比较电路模块分别与所述硅光电倍增器单元及所述驱动模块通信连接；所述硅光电倍增器单元产生的模拟脉冲响应信号作为比较电路模块的输入信号，用于与预先设置的固定阈值进行比较，从而筛选出能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器；所述驱动模块产生的用来驱动所述光源模块的模拟脉冲信号同步作为比较电路模块的其他输入信号，经所述比较电路模块之后产生相应的数字脉冲信号，用于为所述逻辑分析仪提供触发信号；所述逻辑分析仪与比较电路模块通信连接，用于在所述逻辑分析仪被触发之后记录所述比较电路模块筛选出的能够产生特定信号幅值大小的硅光电倍增器的信息；所述计算机与所述逻辑分析仪通信连接，用于对所述逻辑分析仪记录的信息进行分析、处理和保存；所述电源模块用于为驱动模块、硅光电倍增器单元、比较电路模块以及逻辑分析仪提供供电。

2.根据权利要求1所述的一种硅光电倍增器测试系统，其特征在于，所述比较电路模块中预先设定的固定阈值根据硅光电倍增器的输出响应信号为电流脉冲信号或电压脉冲信号而相应地设定为电流阈值或电压阈值；所述比较电路模块和逻辑分析仪的最大工作频率大于所述硅光电倍增器单元的信号产生频率。

3.根据权利要求1或2所述的一种硅光电倍增器测试系统，其特征在于，还包括一延时单元；所述延时单元分别与驱动模块及光源模块通信连接，所述驱动模块产生的模拟脉冲信号经延时单元延时后，作为所述光源模块的输入信号用来驱动该光源模块产生光脉冲；所述延时单元用于确保所述硅光电倍增器产生的模拟脉冲响应信号在所述逻辑分析仪的触发信号之后传送到所述逻辑分析仪中；所述电源模块同时也用于为所述延时单元提供供电。

4.根据权利要求3所述的一种硅光电倍增器测试系统，其特征在于，还包括一放大电路模块；所述放大电路模块分别与硅光电倍增器单元及比较电路模块通信连接；所述硅光电倍增器单元产生的模拟脉冲响应信号作为所述放大电路模块的输入信号，经该放大电路模块进行信号放大之后，输入到所述比较电路模块中；所述电源模块同时也用于为所述放大电路模块提供供电。

5.根据权利要求4所述的一种硅光电倍增器测试系统，其特征在于，所述硅光电倍增器单元至少包含一个硅光电倍增器；所述光源模块包含一个光源及至少一根光纤，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一根光纤，所述每一根光纤均垂直位于每一个硅光电倍增器光敏面的正上方；所述光源模块中的光纤规则排列，用于将光源产生的光均匀分割，进而均匀照射到每一个硅光电倍增器光敏面上；所述暗箱设置有暗格，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一个暗格，测试时暗格彼此之间可以实现光隔离；所述放大电路模块包含至少一个放大电路单元，且所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器均对应一个放大电路单元；所述比较电路模块至少包含两个比较器单元，且所述驱动模块对应一个比较器单元，所述硅光电倍增器单元中的每一个硅光电倍增器也均对应一个比较器单元；所述逻辑分析仪至少包含两个数据通道，所述比较电路模块中的每一个比较器单元均对应一个数据通道，且与驱动模块所对应的数据通道作为触发信号通道，用于触发其他数据通道的工作。

6.一种基于权利要求4或5所述的硅光电倍增器测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S61，打开电源模块，并进行相应的设置，使得系统中各单元或模块供电正常，且均能正常工作；并设置电源模块，使其控制硅光电倍增器单元中的各个硅光电倍增器均工作在盖革模式下；

S62，依次打开驱动模块、延时单元、放大电路模块、比较电路模块和逻辑分析仪，进行系统的启动准备；

S63，打开计算机，运行相应的数据接收和处理软件，准备进行数据的接收和处理；

S64，对驱动模块进行设置，设置驱动光源模块所需的模拟脉冲信号的幅值、周期参数，随后开启脉冲信号的输出；

S65，在计算机上对逻辑分析仪传输的数据进行分析、处理和保存。