CN108709645B - 一种基于场效应管的单光子淬灭电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于场效应管的单光子淬灭电路，包括：第一NMOS管，第二NMOS管，雪崩光电二极管APD，滑动变阻器R以及取样电阻R0，APD阴极与R相连；APD阳极与R0和放大器的一端相连；R0与第一NMOS管的漏极相连；R与第二NMOS管的源极相连；第一NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极与高压偏置电源相连；第一NMOS管和第二NMOS管的栅极均与脉冲信号相连，雪崩信号经过放大器后输出。通过调节滑动变阻器阻值可有效的减小工作电流，降低功耗，利用两个MOSFET管即可实现单光子的自淬灭过程，结构简单，淬灭电路响应速度快，且工作电流可得到有效限制，有利于实现大规模雪崩光电二极管的集成。
Description
技术领域
本发明属于光电通信技术领域，更具体地，涉及一种基于场效应管的单光子淬灭电路。
背景技术
单光子探测是一种极微弱探测法，它所探测的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子探测技术是利用新式的光电效应，当入射光子信号打到雪崩光电二极管上，通过碰撞离化效应，产生一个大电流，从而将载流子放大到一个可以观测的量级，形成一个比较大的光电流，这就是单光子探测技术的基本原理。
雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)由于探测效率高、低功耗、灵敏度高的特点，在单光子探测中得到广泛应用，包括：量子秘钥分配、生物成像、激光测距和荧光寿命测量等领域。
工作在盖革模式下的雪崩光电二极管APD又被称作单光子雪崩二极管(SinglePhoton Avalanche Photo Diode，SPAD)。单光子雪崩光电二极管由于需要提供一个比较大的增益，一般只有工作在盖革模式下才能提供如此大的增益，但是在盖革模式下的偏压已经超过了雪崩阈值电压，长期工作在盖革模式容易烧毁器件，影响测量的可靠性和可持续性。因此，必须设计一个淬灭电路，将雪崩光电二极管的偏压降低，使其无法工作在盖革模式，进而降低雪崩光电流。
传统的淬灭电路主要分为主动式和被动式两种。被动淬灭电路通过外加高偏压，使雪崩光电二极管工作在盖革模式下，产生雪崩电流后，通过大电阻进行分压，从而实现淬灭，大电阻阻值越大，淬灭效果越好，但是大电阻会使得淬灭和恢复的时间过长，这极大的限制了被动淬灭电路在高速单光子探测中的应用。主动淬灭电路通过输出雪崩信号进行反馈，实现淬灭过程，其相对于被动淬灭的优势在于恢复时间缩短，可以应用于高速光电子探测，但是在主动淬灭电路中，雪崩光电二极管的偏压始终高于雪崩阈值电压，长时间的高压工作状态会大大降低雪崩光电二极管的使用寿命，影响工作的稳定性和可靠性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于场效应管的单光子淬灭电路，由此解决现有主动式淬灭电路中雪崩光电二极管的使用寿命较短及现有被动式淬灭电路的淬灭和恢复的时间过长的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于场效应管的单光子淬灭电路，包括：第一NMOS管、第二NMOS管、雪崩光电二极管APD、滑动变阻器R和取样电阻R0；
所述雪崩光电二极管APD的阴极与所述滑动变阻器R的第一端相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极与所述取样电阻R0的第一端相连；所述取样电阻R0的第二端与所述第一NMOS管的漏极相连；所述滑动变阻器R的第二端与所述第二NMOS管的源极相连；所述第一NMOS管的源极接地，所述第二NMOS管的漏极与高压偏置电源相连；所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极均与脉冲信号相连。
优选地，所述单光子淬灭电路还包括：放大器；
所述放大器的输入端与所述雪崩光电二极管APD的阳极相连，雪崩信号经过所述放大器后输出。
优选地，所述高压偏置电源的直流偏压VDD高于所述雪崩光电二极管APD的雪崩阈值电压，在有光入射，且光子到达时，所述雪崩光电二极管APD发生雪崩。
优选地，在所述脉冲信号为低电平时，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道均截止，此时所述第一NMOS管和所述第二NMOS管上的压降均为零；当所述脉冲信号为高电平时，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道均导通，所述雪崩光电二极管APD工作在盖革模式，光子到达后，产生雪崩电流，经过所述取样电阻R0产生电压信号，然后经过所述放大器输出，同时在所述第一NMOS管、所述第二NMOS管和所述滑动变阻器R上产生压降，从而使得工作在盖革模式的雪崩光电二极管APD的两端电压差下降至雪崩电压以下，电路电流减少为零，完成淬灭过程，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管上压降为零，工作在盖革模式的雪崩光电二极管APD两端电压又重新恢复至VDD，等待下一次探测。
优选地，所述滑动变阻器R的阻值能够调节，改变R的阻值大小能够控制工作电流的大小，从而能够避免雪崩电流过大。
优选地，所述脉冲信号为幅值、频率和占空比均能够调节的脉冲信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路，由于PSW为脉冲信号，能够有效的解决雪崩光电二极管长期工作在盖革模式下的情况，提高了器件的使用寿命，提高了器件的稳定性和可靠性。
(2)本发明提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路，通过对滑动变阻器的调节能够有效的控制工作电流，降低器件的功耗。
(3)本发明提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路，电路结构简单，通过两个场效应管和滑动变阻器就能实现淬灭过程，可以与CMOS工艺兼容，有利于系统的集成。
(4)本发明提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路，淬灭时间短，工作速度快，可以应用于高速探测中，并有效降低后脉冲的概率。
(5)本发明提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路，通过调整脉冲信号的周期和占空比，可以有效的检测到光子到达的时间，并与其保持同步，有利于提高系统的探测效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种用于解决雪崩光电二极管长期工作在盖革模式，调节雪崩电流的单光子淬灭电路，通过对脉冲信号占空比的调节，实现了场效应管的截断和导通，当产生雪崩电流后，场效应管和滑动变阻器上产生压降，进一步地，雪崩光电二极管两端的电压会降低，实现淬灭过程，通过滑动变阻器的调节，雪崩电流得以抑制，降低了器件损坏的可能性，降低了整个电路的功耗。在实现对雪崩现象快速淬灭的同时，避免了雪崩光电二极管长时间工作在盖革模式下，有效的调节了电路的工作电流，结构简单，易于实现，有利于后续大规模集成。
如图1所示为本发明实施例提供的一种基于场效应管的单光子淬灭电路的结构示意图，包括：第一NMOS管和第二NMOS管，雪崩光电二极管APD，放大器，滑动变阻器R和取样电阻R0；
其中，雪崩光电二极管APD的阴极与滑动变阻器R的第一端相连；雪崩光电二极管APD的阳极与取样电阻R0的第一端及放大器的第一端相连；取样电阻R0的第二端与第一NMOS管的漏极相连；滑动变阻器R的第二端与第二NMOS管的源极相连；第一NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极与高压偏置电源相连；第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极均与脉冲信号相连，雪崩信号经过放大器后输出。
下面介绍本发明的单光子淬灭电路的操作过程。
当脉冲信号PSW为低电平时，NM1和NM2沟道截止，此时NM1和NM2管上的压降为零；当脉冲信号PSW为高电平时，NM1和NM2沟道导通，SPAD工作在盖革模式，光子到达后，产生雪崩电流，经过取样电阻R0产生电压信号，然后经过放大器输出，同时在NM1管、NM2管和滑动变阻器R上产生压降，从而SPAD两端电压差下降至雪崩电压以下，电路电流减少为零，完成淬灭过程，NM1管和NM2管上压降为零，SPAD两端电压又重新恢复至VDD，等待下一次探测。整个过程中，可以通过调节滑动变阻器R阻值的大小，控制整个工作电流，达到最佳工作状态，避免损伤雪崩光电二极管，保持器件工作的稳定性。同时可以调节PSW的幅值、占空比和周期，计算光子到达的时间，便于脉冲信号与光子进行同步。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)
1.一种基于场效应管的单光子淬灭电路，其特征在于，包括：第一NMOS管、第二NMOS管、雪崩光电二极管APD、滑动变阻器R和取样电阻R0；
所述雪崩光电二极管APD的阴极与所述滑动变阻器R的第一端相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极与所述取样电阻R0的第一端相连；所述取样电阻R0的第二端与所述第一NMOS管的漏极相连；所述滑动变阻器R的第二端与所述第二NMOS管的源极相连；所述第一NMOS管的源极接地，所述第二NMOS管的漏极与高压偏置电源相连；所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极均与脉冲信号相连。
2.根据权利要求1所述的单光子淬灭电路，其特征在于，所述单光子淬灭电路还包括：放大器；
所述放大器的输入端与所述雪崩光电二极管APD的阳极相连，雪崩信号经过所述放大器后输出。
3.根据权利要求1所述的单光子淬灭电路，其特征在于，所述高压偏置电源的直流偏压VDD高于所述雪崩光电二极管APD的雪崩阈值电压，在有光入射，且光子到达时，所述雪崩光电二极管APD发生雪崩。
4.根据权利要求2所述的单光子淬灭电路，其特征在于，在所述脉冲信号为低电平时，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道均截止，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管上的压降均为零；当所述脉冲信号为高电平时，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的沟道均导通，所述雪崩光电二极管APD工作在盖革模式，与脉冲信号同步的光子到达后，产生雪崩电流，经过所述取样电阻R0产生电压信号，然后经过所述放大器输出，同时在所述第一NMOS管、所述第二NMOS管和所述滑动变阻器R上产生压降，从而使得工作在盖革模式的雪崩光电二极管APD的两端电压差下降至雪崩电压以下，电路电流减少为零，完成淬灭过程，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管上压降为零，工作在盖革模式的雪崩光电二极管APD两端电压又重新恢复至VDD，等待下一次探测。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的单光子淬灭电路，其特征在于，所述滑动变阻器R的阻值能够调节，改变R的阻值大小能够控制工作电流的大小，从而能够避免雪崩电流过大。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的单光子淬灭电路，其特征在于，所述脉冲信号为幅值、频率和占空比均能够调节的脉冲信号。
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