CN107271036A - 高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，包括：SPAD及其外围电路模块1、甄别与整形模块2、延时与放大模块3以及主动淬灭与恢复模块4；其中：SPAD及其外围电路模块1提取雪崩信号输入至甄别与整形模块2，甄别与整形模块2进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块3，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块4，由主动淬灭与恢复模块4输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。该系统可以同时提高单光子探测器的探测效率与计数率。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测、量子通信技术领域，尤其涉及一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统。
背景技术
半导体单光子探测器是进行超弱光探测必不可少的工具，在许多领域有着广泛的应用需求。半导体单光子探测器的基本工作原理是：单光子雪崩光电二极管(SPAD)工作在盖革模式下，即SPAD的反向偏置电压超过其雪崩击穿电压。当入射的单光子被吸收后，会产生一对载流子，由于碰撞电离效应，载流子形成雪崩效应并最终输出宏观电流。后端淬灭电路在探测到雪崩信号后会输出探测信号，同时将电路复位以用于探测下一个光子。探测器探测效率主要由耦合效率、吸收效率和雪崩效率决定。耦合效率是指光子从光源到达SPAD吸收层的概率，由光纤耦合效率或自由空间耦合效率、SPAD入射端面反射系数、连接器损耗等多种因素决定；吸收效率有时也称为量子效率，从物理机制上讲，吸收效率主要取决于吸收层的厚度；雪崩效率指载流子引起雪崩效应的概率，主要取决于SPAD的过压，即反向偏置电压高于雪崩击穿电压的部分。
普通商用单光子探测器由于探测技术的限制，为满足暗计数率、后脉冲概率的平衡要求，会降低SPAD工作时的过压，并设置较长死时间，导致探测器探测效率和计数率的潜能未能完全发挥，无法满足一些需要高探测效率、高计数率的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，可以同时提高单光子探测器的探测效率与计数率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，包括：SPAD及其外围电路模块1、甄别与整形模块2、延时与放大模块3以及主动淬灭与恢复模块4；其中：
SPAD及其外围电路模块1提取雪崩信号输入至甄别与整形模块2，甄别与整形模块2进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块3，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块4，由主动淬灭与恢复模块4输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。
所述SPAD及其外围电路模块1包括：第一低噪声直流偏置电源P1、SPAD、限流电阻R1、采样电阻R2和温度控制芯片T1；其中：
所述SPAD的阴极与第一低噪声直流偏置电源P1相连，SPAD的阳极与限流电阻R1一端相连，限流电阻R1的另一端与采样电阻R2一端相连，采样电阻R2另一端接地；温度控制芯片T1与SPAD自身集成的半导体制冷TEC和热敏电阻相连，控制雪崩光电二极管工作的温度。
所述甄别与整形模块2包括：
依次连接的高速甄别器D1和第一脉冲整形模块M1；所述高速甄别器D1对输入的雪崩信号进行甄别，输出数字信号；所述第一脉冲整形模块M1对数字信号进行整形，得到计数信号。
所述延时与放大模块3包括：
一路低噪声放大器A1；另一路依次连接的精密延时器DL1与第二脉冲整形模块M2；其中：
一路低噪声放大器A1将计数信号放大，得到主动淬灭信号；
另一路中，所述精密延时器DL1将计数信号进行延时后传输至第二脉冲整形模块M2，所延时的时间用来设置死时间；所述第二脉冲整形模块M2由输入信号后延触发，进行整形后得到主动恢复信号。
所述主动淬灭与恢复模块4包括：第二低噪声直流偏置电源P2、第三低噪声直流偏置电源P3、第三电阻R3、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NOS管N3；其中：
所述第一NMOS管N1栅极接入主动淬灭信号，源级接地，漏极连接第二NMOS管N2栅极和第三电阻R3一端；所述第三电阻R3另一端和第二低噪声直流偏置电源P2相连；所述第二NMOS管N2漏极与第三低噪声直流偏置电源P3相连，源级连接第三NMOS管N3漏极并接入SPAD阳极；所述第三NMOS管N3源级接地，栅极接入主动恢复信号。
所述主动淬灭信号静态时为高电平，有信号时为低电平；主动恢复信号静态时为低电平，有信号时为高电平；
当没有雪崩被甄别即电路为静态时，接入第一NMOS管N1的栅极电压为高电平，高于其阈值电压，使其处于导通状态，漏极电压接近于零即第二NMOS管N2的栅极电压接近于零，故第二NMOS管N2栅源电压Vgs接近于零，低于阈值电压，处于关闭状态；接入第三NMOS管N3的栅极电压为低电平，处于关闭状态，整个主动淬灭与恢复模块4处于静态，接入至SPAD阳极电压为低电平；
当有雪崩被甄别时，依次产生主动淬灭信号与主动恢复信号；主动淬灭信号到达时为低电平，低于第一NMOS管N1阈值电压，使其关闭，其漏极电压在第二低噪声直流偏置电源P2作用下迅速上升；当上升至第二NMOS管N2栅源电压Vgs高于阈值电压时，第二NMOS管N2导通，使得其源级电压在第三低噪声直流偏置电源P3作用下迅速上升至所设电压；之后，当主动恢复信号到达时为高电平，使得第三NMOS管N3的栅源电压高于阈值电压，处于导通状态，第二N沟道MOS管N2源级电压会降至零点，之后主动淬灭与恢复模块4重新进入静态。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过高速大幅度淬灭电压作用于SPAD的阳极，使得探测器工作时可加在SPAD两端的过压极高并能实施快速淬灭，从而极大地抑制了后脉冲概率；雪崩信号甄别后，通过高速电路快速恢复SPAD阳极电压，使得SPAD再次进入盖革模式，准备好探测下一个光子，从而实现显著提升探测器的探测效率与计数率的目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高速淬灭及恢复中SPAD阳极电压变化波形图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统的结构示意图。如图1所示，其主要包括：SPAD及其外围电路模块1、甄别与整形模块2、延时与放大模块3以及主动淬灭与恢复模块4；其中：
SPAD及其外围电路模块1提取雪崩信号输入至甄别与整形模块2，甄别与整形模块2进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块3，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块4，由主动淬灭与恢复模块4输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。
该系统工作过程如下：第一低噪声直流偏置电源P1给SPAD提供偏置电压，使SPAD工作在盖革模式；当入射的单个光子被吸收后，会产生一对载流子并形成雪崩效应，最终输出宏观电流产生雪崩信号，由于本系统中可加在SPAD两端的过压很高，可以有效提高探测效率。由于传输延时小，淬灭速度快，雪崩持续时间短，极大地抑制了后脉冲概率；在主动淬灭后，经过所设死时间，又可实现高速恢复，使得SPAD再次进入盖革模式，准备好探测下一次单光子事件，极大地提升了计数率。在死时间这段时间内，加在SPAD两端的过压在雪崩电压之下，使延迟释放的载流子不会引起雪崩效应，从而可以进一步减小探测器的后脉冲概率。
该系统的原理如下：雪崩信号被甄别到后，主动淬灭与恢复模块4输出信号电平被快速提升至所设电压(例如，50V)，使加在SPAD两端的过压低于雪崩电压从而实现主动淬灭；经过延时设置的死时间过后，此电平又被快速降至0V，使加在SPAD两端的过压恢复至雪崩电压之上即再次进入盖革模式，从而实现主动恢复。由于模块4输出信号幅度特别大，可达50V，使得探测器工作时可加在SPAD两端的过压极高，从而有效提升单光子探测器的探测效率。同时由于快速的主动恢复过程，可以有效抑制单光子探测器的后脉冲概率，从而提升计数率。
为了便于理解，下面针对系统中的各个模块做进一步的说明。
1、SPAD及其外围电路模块。
如图1所示，所述SPAD及其外围电路模块1主要包括：第一低噪声直流偏置电源P1、SPAD、限流电阻R1、采样电阻R2和温度控制芯片T1；其中：
所述SPAD的阴极与第一低噪声直流偏置电源P1相连，SPAD的阳极与限流电阻R1一端相连，限流电阻R1的另一端与采样电阻R2一端相连，采样电阻R2另一端接地；温度控制芯片T1与SPAD自身集成的半导体制冷TEC和热敏电阻相连，控制雪崩光电二极管工作的温度。
2、甄别与整形模块。
如图1所示，所述甄别与整形模块2主要包括：依次连接的高速甄别器D1和第一脉冲整形模块M1；所述高速甄别器D1对输入的雪崩信号进行甄别，输出数字信号；所述第一脉冲整形模块M1对数字信号进行整形，得到计数信号。
3、延时与放大模块。
如图1所示，所述延时与放大模块3主要包括：一路低噪声放大器A1；另一路依次连接的精密延时器DL1与第二脉冲整形模块M2；其中：
一路低噪声放大器A1将计数信号放大，得到主动淬灭信号；
另一路中，所述精密延时器DL1将计数信号进行延时后传输至第二脉冲整形模块M2，所延时的时间用来设置死时间；所述第二脉冲整形模块M2由输入信号后延触发，进行整形后得到主动恢复信号。
4、主动淬灭与恢复模块
如图1所示，所述主动淬灭与恢复模块4包括：第二低噪声直流偏置电源P2、第三低噪声直流偏置电源P3、第三电阻R3、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NOS管N3；其中：
所述第一NMOS管N1栅极接入主动淬灭信号，源级接地，漏极连接第二NMOS管N2栅极和第三电阻R3一端；所述第三电阻R3另一端和第二低噪声直流偏置电源P2相连；所述第二NMOS管N2漏极与第三低噪声直流偏置电源P3相连，源级连接第三NMOS管N3漏极并接入SPAD阳极；所述第三NMOS管N3源级接地，栅极接入主动恢复信号。
本发明实施例中，所述主动淬灭信号静态时为高电平(高于第一NMOS管N1的阈值电压)，有信号时为低电平(接近于零)；主动恢复信号静态时为低电平(接近于零)，有信号时为高电平(高于第三NMOS管N3的阈值电压)。
当没有雪崩被甄别即电路为静态时，接入第一NMOS管N1的栅极电压为高电平，高于其阈值电压，使其处于导通状态，漏极电压接近于零即第二NMOS管N2的栅极电压接近于零，故第二NMOS管N2栅源电压Vgs接近于零，低于阈值电压，处于关闭状态；接入第三NMOS管N3的栅极电压为低电平，处于关闭状态，整个主动淬灭与恢复模块4处于静态，接入至SPAD阳极电压为低电平(接近于零)。
当有雪崩被甄别时，依次产生主动淬灭信号与主动恢复信号；主动淬灭信号到达时为低电平，低于第一NMOS管N1阈值电压，使其关闭，其漏极电压在第二低噪声直流偏置电源P2作用下迅速上升；当上升至第二NMOS管N2栅源电压Vgs高于阈值电压时，第二NMOS管N2导通，使得其源级电压在第三低噪声直流偏置电源P3作用下迅速上升至所设电压(可设为50V)；之后，当主动恢复信号到达时为高电平，使得第三NMOS管N3的栅源电压高于阈值电压，处于导通状态，第二N沟道MOS管N2源级电压会降至零点，之后主动淬灭与恢复模块4重新进入静态。整个主动淬灭与恢复模块4接入SPAD阳极电压变化波形图如图2所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，包括：SPAD及其外围电路模块(1)、甄别与整形模块(2)、延时与放大模块(3)以及主动淬灭与恢复模块(4)；其中：
SPAD及其外围电路模块(1)提取雪崩信号输入至甄别与整形模块(2)，甄别与整形模块(2)进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块(3)，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块(4)，由主动淬灭与恢复模块(4)输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。
2.根据权利要求1所述的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，所述SPAD及其外围电路模块(1)包括：第一低噪声直流偏置电源(P1)、SPAD、限流电阻(R1)、采样电阻(R2)和温度控制芯片(T1)；其中：
所述SPAD的阴极与第一低噪声直流偏置电源(P1)相连，SPAD的阳极与限流电阻(R1)一端相连，限流电阻(R1)的另一端与采样电阻(R2)一端相连，采样电阻(R2)另一端接地；温度控制芯片(T1)与SPAD自身集成的半导体制冷TEC和热敏电阻相连，控制雪崩光电二极管工作的温度。
3.根据权利要求1所述的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，所述甄别与整形模块(2)包括：
依次连接的高速甄别器(D1)和第一脉冲整形模块(M1)；所述高速甄别器(D1)对输入的雪崩信号进行甄别，输出数字信号；所述第一脉冲整形模块(M1)对数字信号进行整形，得到计数信号。
4.根据权利要求1所述的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，所述延时与放大模块(3)包括：
一路低噪声放大器(A1)；另一路依次连接的精密延时器(DL1)与第二脉冲整形模块(M2)；其中：
一路低噪声放大器(A1)将计数信号放大，得到主动淬灭信号；
另一路中，所述精密延时器(DL1)将计数信号进行延时后传输至第二脉冲整形模块(M2)，所延时的时间用来设置死时间；所述第二脉冲整形模块(M2)由输入信号后延触发，进行整形后得到主动恢复信号。
5.根据权利要求1所述的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，所述主动淬灭与恢复模块(4)包括：第二低噪声直流偏置电源(P2)、第三低噪声直流偏置电源(P3)、第三电阻(R3)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NOS管(N3)；其中：
所述第一NMOS管(N1)栅极接入主动淬灭信号，源级接地，漏极连接第二NMOS管(N2)栅极和第三电阻(R3)一端；所述第三电阻(R3)另一端和第二低噪声直流偏置电源(P2)相连；所述第二NMOS管(N2)漏极与第三低噪声直流偏置电源(P3)相连，源级连接第三NMOS管(N3)漏极并接入SPAD阳极；所述第三NMOS管(N3)源级接地，栅极接入主动恢复信号。
6.根据权利要求5所述的一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，
所述主动淬灭信号静态时为高电平，有信号时为低电平；主动恢复信号静态时为低电平，有信号时为高电平；
当没有雪崩被甄别即电路为静态时，接入第一NMOS管(N1)的栅极电压为高电平，高于其阈值电压，使其处于导通状态，漏极电压接近于零即第二NMOS管(N2)的栅极电压接近于零，故第二NMOS管(N2)栅源电压Vgs接近于零，低于阈值电压，处于关闭状态；接入第三NMOS管(N3)的栅极电压为低电平，处于关闭状态，整个主动淬灭与恢复模块(4)处于静态，接入至SPAD阳极电压为低电平；
当有雪崩被甄别时，依次产生主动淬灭信号与主动恢复信号；主动淬灭信号到达时为低电平，低于第一NMOS管(N1)阈值电压，使其关闭，其漏极电压在第二低噪声直流偏置电源(P2)作用下迅速上升；当上升至第二NMOS管(N2)栅源电压Vgs高于阈值电压时，第二NMOS管(N2)导通，使得其源级电压在第三低噪声直流偏置电源(P3)作用下迅速上升至所设电压；之后，当主动恢复信号到达时为高电平，使得第三NMOS管(N3)的栅源电压高于阈值电压，处于导通状态，第二N沟道MOS管(N2)源级电压会降至零点，之后主动淬灭与恢复模块(4)重新进入静态。
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