CN107091687B - 一种apd单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法，该电路包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，直流偏置电压单元通过第一电阻R1与雪崩光电二极管APD的阴极相连；门控脉冲发生器通过第一电容C与雪崩光电二极管APD的阴极相连；雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，电平测量比较电路包括检测模块，判决模块，以及信号生成模块。本发明电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率；本发明方法具有雪崩信号甄别能力强，准确率较高等优点。

Description

一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别的涉及一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法。

背景技术

单光子级别的光信号探测属于微弱光探测领域，在量子通信、激光测距、生物医学和光谱探测等多个领域有着重要的应用。目前能探测到单光子信号的器件主要有光电倍增管（PMT）和APP。PMT具有体积大，驱动电压高，增益低，不易集成等缺点，而APD正好具有与之相反的特性。因此，单光子探测器件核心器件主要采用APD。检测信号时，APD工作在盖革模式，其内部耗尽层产生一个很强大的电场，当有光子进入电场时，将产生电子空穴对，电荷在强电场的加速下撞击产生新的电荷空穴对，于是光生电子成倍增加，产生雪崩效应，APD就可以输出足以检测到的宏观电流。然而雪崩现象如果一直持续，将会产生越来越大的电流导致APD被击穿，另外雪崩过程如果不能尽快停止将无法进行下一次探测，从而影响探测效率。所以在探测到单光子后，需要使APD快速退出盖革模式，让雪崩现象尽快“淬灭”，并“重置”至盖革模式下，以便进行下一次探测。目前通常使用高速门控信号驱动APD进行快速“淬灭-重置”。然而由于APD自身结电容的存在，在门控脉冲的上升沿和下降沿会因微分效应而产生尖峰噪声电压。且尖峰噪声强度远大于因单光子触发的雪崩信号的强度，使得有效雪崩信号湮没其中无法提取。因此如果把雪崩信号从强大的噪声信号中提取出来是单光子探测器需要解决的关键问题。目前甄别雪崩信号的方法有自差分技术、正弦波技术和双APD平衡等。这些方法都存在一定的缺点：自差分电路调整重复频率非常不方便；高速正弦波电路复杂，需要额外的微波器件和高频信号发生器；双APD平衡法要求两只APD的属性必须高度相似，并且APD价格昂贵，故该方案性价比较低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，实现成本较低，重复频率调整方便的APD单光子探测器电路，以及雪崩信号甄别能力强、准确率较高的APD单光子探测器雪崩信号甄别方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种APD单光子探测器电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，所述直流偏置电压单元通过第一电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述门控脉冲发生器通过第一电容C与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；

其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，所述电平测量比较电路包括用于检测高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块。

采用上述电路，在门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压叠加门控脉冲电压大于雪崩光电二极管APD的击穿电压，雪崩光电二极管APD进入到盖革模式，探测“窗口”打开，可以对单光子进行检测，由于门控脉冲从上升沿到下降沿的过程中，APD的输出信号电压始终会过零一次，通过高速过零比较器对APD的输出信号进行过零比较，然后利用电平测量比较电路测量高速过零比较器输出的高电平的脉宽大小。当没有捕获到单光子时，APD只输出门控脉冲上升沿产生的尖峰噪声；而一旦捕获到单光子时，APD将发生雪崩效应，产生雪崩电流信号，由于雪崩电流信号产生时间始终晚于门控脉冲上升沿的起始时间，使得上升沿产生的尖峰噪声信号与雪崩信号叠加后的信号，经高速过零比较器比较后，所产生的高电平的脉宽始终大于上升沿的尖峰噪声单独所产生的高电平的脉宽。利用APD输出端高电平的这一特性，无需进行脉冲分离，即可判断是否捕捉到单光子。最后，在门控脉冲的下降沿，APD开始退出盖革模式，让雪崩现象尽快“淬灭”。APD在下一个脉冲的上升沿时“重置”至盖革模式，进行下一次检测。上述电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率。

进一步的，所述门控脉冲发生器包括依次连接的锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。

采用上述结构，需要调整门控脉冲的宽度时，可以通过改写程序调整锁相环占空比来实现，无需改变硬件电路设置，脉冲宽度调整灵活方便。

一种采用如上所述的APD单光子探测器电路的雪崩信号甄别方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、将直流偏置电压单元的直流偏置电压和门控脉冲发生器的门控脉冲加载到所述雪崩光电二极管APD的阴极；

B、当门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压和门控脉冲的峰值电压之和大于雪崩光电二极管APD的击穿电压，使雪崩光电二极管APD进入盖革模式；雪崩光电二极管APD输出的电流信号经第二电阻R2转换成电压信号送入高速过零比较器进行过零比较处理；

C、高速过零比较器的处理结果送入电平测量比较电路后，通过检测模块检测输出的高电平的脉宽为T2，并将检测的脉宽T2送入判决模块中，与设定的脉宽T1相比较，并将比较结果送入信号生成模块中，

若T2大于T1，则表示探测到单光子，信号生成模块产生“检测到单光子”的甄别结论信号并输出；否则，表示没有探测到单光子，信号生成模块产生“未检测到单光子”的甄别结论信号并输出。

综上所述，本发明电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率；本发明方法具有雪崩信号甄别能力强，准确率较高等优点。

附图说明

图1为本发明的雪崩信号甄别方法的原理图。

图2为APD雪崩信号甄别时序图。

图3为APD单光子探测器电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1~图3所示，其实，本发明APD单光子探测器电路的结构示意图如图3所示，直流偏置电压单元Vdc通过第一电阻R1与雪崩光电二极管APD的阴极相连，偏置电压大小略低于APD击穿电压；FPGA 可编程门阵列电路内部的门控信号产生电路通过第一电容C与雪崩光电二极管APD的阴极相连；雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地，同时，雪崩光电二极管APD的阳极还连接有过零比较电路，过零比较电路的输出端连接到FPGA 可编程门阵列电路内部的电平测量比较电路，电平测量比较电路包括用于检测雪崩光电二极管APD输出端的高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块；门控信号产生电路包括锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。

采用上述电路，在门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压和门控脉冲电压之和大于雪崩光电二极管APD的击穿电压时，雪崩光电二极管APD进入到盖革模式，对单光子进行检测，由于门控脉冲从上升沿到下降沿的过程中，APD的输出端的电平始终会过零一次，通过高速过零比较器对APD的输出进行过零比较，然后通过电平测量比较电路的检测模块进行检测就可以得到APD输出高电平的脉宽大小。当没有捕获到单光子时，APD只输出门控脉冲上升沿产生的尖峰噪声；而一旦捕获到单光子时，APD将发生雪崩效应，产生雪崩电流信号，由于雪崩电流信号始终晚于门控脉冲上升沿的起始时间，使得上升沿的尖峰噪声与雪崩电流信号所叠加后产生的高电平的脉宽始终大于上升沿的尖峰噪声所产生的高电平的脉宽。利用APD输出端高电平的这一特性，无需进行脉冲分离，即可判断是否捕捉到单光子。最后，在门控脉冲的下降沿，APD开始退出盖革模式，让雪崩现象尽快“淬灭”。APD在下一个脉冲的上升沿时“重置”至盖革模式，进行下一次检测。上述电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率。

具体检测步骤为：

（一）直流偏置电压Vdc和窄门控脉冲加载到APD阴极，直流偏置电压略低于APD的击穿电压Vbr，当门控脉冲进入上升沿时，偏置电压叠加门控信号的峰值电压大于APD的击穿电压，APD进入盖革模式，此时“门”打开；当门脉冲进入下降沿时，脉冲电压消失，只有偏置电压，APD退出盖革模式，此时“门”关闭。“门”打开的时间，即门控脉冲的高电平脉宽T，如图2中的a所示。

（二）在“门”打开的时候，如果没有检测到单光子信号，APD只输出门控脉冲上升沿和下降沿产生的尖峰噪声；当捕获到单光子时，发生雪崩效应，APD除输出尖峰噪声外，还有雪崩电流信号，但雪崩信号强度弱于噪声信号，几乎湮没在噪声中，如图2中的b所示。

（三）APD输出的电流信号经电阻取样后，送入高速过零比较器。只有噪声输入时，经过零比较器比较输出的高电平脉宽为T1；当发生雪崩效应时，由于雪崩电流的加入，经过零比较器比较输出的高电平脉宽为T2，T2>T1，如图2中的c所示。

（四）用高频时钟信号对输出的高电平进行采样测量，当测量出高电平脉宽大于T1时，即可判断发生了雪崩效应，说明检测到了单光子信号，从而将雪崩信号从尖峰噪声中甄别出来，如图2中的d所示。

具体实施时，判决模块的设定脉宽可以采用如下方法确定，先将APD进行遮光处理，保证APD无法捕获到单光子，对经过零比较器比较输出的高电平脉宽进行检测得到的脉宽值即为设定脉宽T1。进一步，为提高设定脉宽的准确性，可以采用上述方法进行多次检测，将得到的最大脉宽作为设定脉宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单光子探测器电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，所述直流偏置电压单元通过第一电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述门控脉冲发生器通过第一电容C与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；

其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，所述电平测量比较电路包括用于检测高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块。

2.如权利要求1所述的单光子探测器电路，其特征在于，所述门控脉冲发生器包括依次连接的锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。

3.一种采用权利要求1所述的单光子探测器电路的雪崩信号甄别方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、将直流偏置电压单元的直流偏置电压和门控脉冲发生器的门控脉冲加载到所述雪崩光电二极管APD的阴极；

B、当门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压和门控脉冲的峰值电压之和大于雪崩光电二极管APD的击穿电压，使雪崩光电二极管APD进入盖革模式；雪崩光电二极管APD输出的电流信号经第二电阻R2转换成电压信号送入高速过零比较器进行过零比较处理；

C、高速过零比较器的处理结果送入电平测量比较电路后，通过检测模块检测输出的高电平的脉宽为T2，并将检测的脉宽T2送入判决模块中，与设定的脉宽T1相比较，并将比较结果送入信号生成模块中，

若T2大于T1，则表示探测到单光子，信号生成模块产生“检测到单光子”的甄别结论信号并输出；否则，表示没有探测到单光子，信号生成模块产生“未检测到单光子”的甄别结论信号并输出。