CN106482840B - 一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法。该用于单光子探测器的主动猝灭电路，包括两个高速比较器、高电子迁移率晶体管(HEMT)、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器、APD电容平衡电路；本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，利用SiGe异质结(HBT)比较器集成电路和GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)，实现了超快的猝灭速度，可工作在门控模式和自由运转模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法，属于微弱光探测的技术领域。
背景技术
单光子探测器用于探测单光子量级的微弱光信号，其核心是光电探测器件。常见的单光子探测器有光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)等。APD由于工作速度高、体积小巧而被广泛应用。
APD工作于偏压高于击穿电压的盖革模式下，其产生的雪崩电流需要及时猝灭，所需的电路称为猝灭电路。常见的猝灭电路分为被动猝灭电路和主动猝灭电路，分类的依据是APD偏压的控制方式。被动猝灭电路利用串联在APD上的一个较大的电阻，在雪崩发生时产生较大的压降，使APD两端电压差降低，从而实现猝灭。主动猝灭电路在检测到雪崩发生后，通过偏压控制电路主动降低APD两端的电压差实现猝灭。
实际应用中，单光子探测器通常有门控模式和自由运转模式两种工作模式。门控模式下的单光子探测器在偏压高于击穿电压(即门开)时可以探测单光子，偏压低于击穿电压(即门关)时无法探测单光子。自由运转模式的单光子探测器通常处于偏压高于击穿电压的状态等待光子到来，探测到光子时雪崩发生，继而猝灭，经过一段时间(即死时间)后恢复至探测状态。门控模式和自由运转模式的单光子探测器均需要结合一种主动或被动猝灭电路实现雪崩的猝灭；有一种情况例外：当门宽足够窄时，门控信号自身即可实现雪崩猝灭，该类电路通常称为门控猝灭电路。在量子通信领域，门控模式较常用，因为光子到来时间是已知的，可以仅在光子可能到来的时刻开一个窄门，实现较高的信噪比。在激光雷达等领域，光子到来时间是未知的，自由运转模式的单光子探测器更符合实际应用需求。
由于APD相对严重的后脉冲效应，自由运转模式下的单光子探测器信噪比通常较差。猝灭电路对后脉冲效应的抑制起至关重要的作用。较快的猝灭速度可以减小雪崩的幅度和时长，从而降低后脉冲发生的概率。被动猝灭电路的猝灭速度主要取决于猝灭电阻的大小、APD结电容的大小以及寄生电容、电感的大小。被动猝灭电路中的寄生电容、电感通常较大，猝灭速度较慢，加之猝灭电阻通常很大，猝灭后恢复所需时间较长，综合性能较差。主动猝灭电路的猝灭速度主要取决于从雪崩提取到降低偏压的延时。目前主流的主动猝灭电路为Si基分立电路或集成电路，包括比较器、触发器、驱动级等多个电路部分，延时较大，猝灭速度较慢，后脉冲概率较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于单光子探测器的主动猝灭电路。
本发明还提供一种上述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法。
术语说明：
APD：雪崩光电二极管。
本发明的技术方案如下：
一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD和电容；
APD的阴极通过电阻与可调偏置电压源连接；APD的阴极与高速比较器U2的同相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；其中，高速比较器U2的反相输入端VN端口与VTN端口内部通过50欧姆电阻连接，相当于同一端口。
高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管Q1的输入端连接；高电子迁移率晶体管Q1的输出端与APD的阳极连接；APD的阳极通过电容与高速比较器U2的反相输入端连接；
开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；
关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容与高速比较器U2的反相输入端连接；
高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U5的异步复位端反相连接；D触发器U5的数据输入端连接固定高电平。高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，用于以较高的灵敏度实现单端到差分电平信号的转换。
优选的，高速比较器U2、高速比较器U4为SiGe异质结比较器集成电路；高电子迁移率晶体管Q1为GaAs高电子迁移率晶体管。SiGe异质结比较器集成电路即HBT；GaAs高电子迁移率晶体管Q1即HEMT。
一种上述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，包括实现猝灭功能的步骤如下：
APD产生的负向雪崩脉冲低于鉴别电平时，负向雪崩脉冲被高速比较器U2鉴别，高速比较器U2的输出电平翻转，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位升高，APD两端电压降低，完成雪崩猝灭；同时，高速比较器U2的输出状态被锁存，保持猝灭状态；
优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括实现恢复功能的步骤如下：
雪崩猝灭后，进入猝灭状态保持时间，恢复信号通过开门脉冲发生器形成正向窄脉冲，高速比较器U2的锁存控制同相输入端的电位暂高于高速比较器U2的锁存控制反相输入端的电位，高速比较器U2锁存功能处于无效状态；此时高速比较器U2的同相输入端不存在雪崩脉冲，高速比较器U2的输出电平翻转，高速比较器U2的同相输出端为高电平，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位降低，APD两端电压升高，APD恢复单光子探测状态；同时，高速比较器U2的锁存控制反相输入端电平降低，锁存功能继续处于无效状态；APD阳极电位降低时产生的瞬态响应被APD和电容抵消，比较器输出不翻转；猝灭状态保持时间即“死时间”；当高速比较器U2的锁存功能继续处于无效状态，随时可以鉴别雪崩脉冲。
优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括实现开门和关门功能的步骤：
门控信号上沿为关门信号，关门信号使关门脉冲发生器产生关门脉冲信号；关门脉冲信号通过耦合电容进入高速比较器U2的反相输入端，电路进入猝灭过程，此后探测器无法鉴别雪崩脉冲，实现关门功能；门控信号下沿为开门信号，开门功能的实现过程与恢复功能的实现过程相同；
优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括雪崩信号输出的步骤：
当处于开门状态或恢复信号存在时，D触发器U3正常接受高速比较器U4发出的雪崩脉冲，在雪崩脉冲上沿时输出高电平；当处于关门状态或猝灭信号存在时，D触发器U3被异步复位，输出低电平。
进一步优选的，控制信号由FPGA发出；控制信号包括，恢复信号和门控信号；当处于自由运转模式时，FPGA产生恢复信号，FPGA自猝灭时刻开始计时，经过设定的死时间后，FPGA发出恢复信号；当处于门控模式，FPGA产生门控信号，产生门控信号下沿时，实现开门功能，如果开门期间雪崩发生，则电路进入猝灭过程，如果开门期间无雪崩发生，则到达设定门宽时，FPGA产生门控信号上沿，实现关门功能；恢复信号相当于门控模式下的开门信号。
本发明的优点是：
1.本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，利用SiGe异质结(HBT)比较器集成电路和GaAs高电子迁移率晶体管Q1(HEMT)，实现了超快的猝灭速度，可工作在门控模式和自由运转模式；
2.本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，仅采用两个化合物半导体工艺的核心器件，充分利用了比较器的同相和反相锁存输入端，灵活地实现了猝灭和恢复状态的保持，不需要额外的锁存器，极大地减小了常规主动猝灭电路的猝灭延时；
3.本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，灵活利用了比较器的反相输入端和同相锁存输入端，在仅一个高速比较器上实现了门控功能，实现了最小的电路复杂度和最少的延迟时间。
附图说明
图1为本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的电路结构框图；
图2为本发明所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，但不限于此。
以下实施例中所使用的高速比较器型号均为ADCMP572、D触发器的型号均为MC100EP51DT。
实施例1
如图1-2所示。
一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD D1和电容C4；
APD D1的阴极通过电阻R2与可调偏置电压源连接；APD D1的阴极与高速比较器U2的同相输入端VP连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；其中，高速比较器U2的反相输入端VN端口与VTN端口内部通过50欧姆电阻连接，相当于同一端口。
高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管的输入端连接；高电子迁移率晶体管的输出端与APD D1的阳极连接；APD D1的阳极通过电容C4与高速比较器U2的反相输入端连接；
开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；
关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容C2与高速比较器U2的反相输入端连接；
高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U5的异步复位端反相连接；D触发器U5的数据输入端连接固定高电平。高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，用于以较高的灵敏度实现单端到差分电平信号的转换。
实施例2
如实施例1所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路，所不同的是，高速比较器U2、高速比较器U4为SiGe异质结比较器集成电路；高电子迁移率晶体管Q1为GaAs高电子迁移率晶体管。SiGe异质结比较器集成电路即HBT；GaAs高电子迁移率晶体管Q1即HEMT。
实施例3
一种如实施例1-2所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，包括实现猝灭功能的步骤如下：
APD D1产生的负向雪崩脉冲低于鉴别电平时，负向雪崩脉冲被高速比较器U2鉴别，高速比较器U2的输出电平翻转，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD D1阳极的电位升高，APD D1两端电压降低，完成雪崩猝灭；同时，高速比较器U2的输出状态被锁存，保持猝灭状态；
实施例4
如实施例3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，所不同的是，还包括实现恢复功能的步骤：雪崩猝灭后，进入猝灭状态保持时间，恢复信号通过开门脉冲发生器形成正向窄脉冲，高速比较器U2的锁存控制同相输入端的电位暂高于高速比较器U2的锁存控制反相输入端的电位，高速比较器U2锁存功能处于无效状态；此时高速比较器U2的同相输入端不存在雪崩脉冲，高速比较器U2的输出电平翻转，高速比较器U2的同相输出端为高电平，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD D1阳极的电位降低，APD D1两端电压升高，APD D1恢复单光子探测状态；同时，高速比较器U2的锁存控制反相输入端电平降低，锁存功能继续处于无效状态；APD D1阳极电位降低时产生的瞬态响应被APD D1和电容C4抵消，比较器输出不翻转；猝灭状态保持时间即“死时间”；当高速比较器U2的锁存功能继续处于无效状态，随时可以鉴别雪崩脉冲。
实施例5
如实施例3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，所不同的是，还包括实现开门和关门功能的步骤：
门控信号上沿为关门信号，关门信号使关门脉冲发生器产生关门脉冲信号；关门脉冲信号通过耦合电容进入高速比较器U2的反相输入端，电路进入猝灭过程，此后探测器无法鉴别雪崩脉冲，实现关门功能；门控信号下沿为开门信号，开门信号通过开门脉冲发生器形成开门脉冲信号，高速比较器U2的锁存控制同相输入端的电位暂高于高速比较器U2的锁存控制反相输入端的电位，高速比较器U2锁存功能处于无效状态；此时高速比较器U2的同相输入端不存在雪崩脉冲，高速比较器U2的输出电平翻转，高速比较器U2的同相输出端为高电平，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD D1阳极的电位降低，APD D1两端电压升高，APD D1恢复单光子探测状态；同时，高速比较器U2的锁存控制反相输入端电平降低，锁存功能继续处于无效状态；APD D1阳极电位降低时产生的瞬态响应被APD D1和电容C4抵消，比较器输出不翻转；
实施例6
如实施例3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，所不同的是，还包括雪崩信号的输出的步骤：
当处于开门状态或恢复信号存在时，D触发器U3正常接受高速比较器U4发出的雪崩脉冲，在雪崩脉冲上沿时输出高电平；当处于关门状态或猝灭信号存在时，D触发器U3被异步复位，输出低电平。
实施例7
如实施例4或5所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，所不同的是，控制信号由FPGA发出；控制信号包括，恢复信号和门控信号；当处于自由运转模式时，FPGA产生恢复信号，FPGA自猝灭时刻开始计时，经过设定的死时间后，FPGA发出恢复信号；当处于门控模式，FPGA产生门控信号，产生门控信号下沿时，实现开门功能，如果开门期间雪崩发生，则电路进入猝灭过程，如果开门期间无雪崩发生，则到达设定门宽时，FPGA产生门控信号上沿，实现关门功能。
Claims (7)
1.一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，其特征在于，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD和电容；
APD的阴极通过电阻与可调偏置电压源连接；APD的阴极与高速比较器U2的同相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；
高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管Q1的输入端连接；高电子迁移率晶体管Q1的输出端与APD的阳极连接；APD的阳极通过电容与高速比较器U2的反相输入端连接；
开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；
关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容与高速比较器U2的反相输入端连接；
高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器U3的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U3的异步复位端反相连接；D触发器U3的数据输入端连接固定高电平。
2.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路，其特征在于，高速比较器U2、高速比较器U4为SiGe异质结比较器集成电路；高电子迁移率晶体管Q1为GaAs高电子迁移率晶体管。
3.一种如权利要求2所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，包括实现猝灭功能的步骤：
APD产生的负向雪崩脉冲低于鉴别电平时，负向雪崩脉冲被高速比较器U2鉴别，高速比较器U2的输出电平翻转，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位升高，APD两端电压降低，完成雪崩猝灭；同时，高速比较器U2的输出状态被锁存，保持猝灭状态。
4.根据权利要求3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，还包括实现恢复功能的步骤如下：
雪崩猝灭后，进入猝灭状态保持时间，恢复信号通过开门脉冲发生器形成正向窄脉冲，高速比较器U2的锁存控制同相输入端的电位暂高于高速比较器U2的锁存控制反相输入端的电位，高速比较器U2锁存功能处于无效状态；此时高速比较器U2的同相输入端不存在雪崩脉冲，高速比较器U2的输出电平翻转，高速比较器U2的同相输出端为高电平，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位降低，APD两端电压升高，APD恢复单光子探测状态；同时，高速比较器U2的锁存控制反相输入端电平降低，锁存功能继续处于无效状态；APD阳极电位降低时产生的瞬态响应被APD和电容抵消，比较器输出不翻转；猝灭状态保持时间即“死时间”。
5.根据权利要求3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，还包括实现开门和关门功能的步骤：
门控信号上沿为关门信号，关门信号使关门脉冲发生器产生关门脉冲信号；关门脉冲信号通过耦合电容进入高速比较器U2的反相输入端，电路进入猝灭过程，此后探测器无法鉴别雪崩脉冲，实现关门功能；门控信号下沿为开门信号，开门功能的实现过程与恢复功能的实现过程相同。
6.根据权利要求3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，还包括雪崩信号输出的步骤：
当处于开门状态或恢复信号存在时，D触发器U3正常接受高速比较器U4发出的雪崩脉冲，在雪崩脉冲上沿时输出高电平；当处于关门状态或猝灭信号存在时，D触发器U3被异步复位，输出低电平。
7.根据权利要求4或5所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，控制信号由FPGA发出；控制信号包括，恢复信号和门控信号；当处于自由运转模式时，FPGA产生恢复信号，FPGA自猝灭时刻开始计时，经过设定的死时间后，FPGA发出恢复信号；当处于门控模式，FPGA产生门控信号，产生门控信号下沿时，实现开门功能，如果开门期间雪崩发生，则电路进入猝灭过程，如果开门期间无雪崩发生，则到达设定门宽时，FPGA产生门控信号上沿，实现关门功能。
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2016
- 2016-09-27 CN CN201610854708.2A patent/CN106482840B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Fast Active-Quenching Circuit for Free-Running InGaAs(P)/InP Single-Photon Avalanche Diodes;Junliang Liu等;《IEEE Journal of Quantum Electronics》;20160814;第52卷(第10（2016）期);第4000306页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106482840A (zh) | 2017-03-08 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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