CN109443555B - 基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，解决了传统紫外单光子探测器淬灭电路淬灭或者恢复时间长而引起单光子探测器的探测效率低的问题，该系统包括输入光模块、偏压模块、探测芯片和主动淬灭主动恢复电路模块；输入光模块用于输出单光子级别的被测光至探测芯片；偏压模块用于施加反向偏压至探测芯片；主动淬灭主动恢复电路模块用于主动淬灭探测芯片产生的雪崩信号以及主动恢复探测芯片两端的偏压。本发明采用主动淬灭主动恢复电路模块实现雪崩信号的主动淬灭和偏压的主动恢复，有效的减小单光子探测系统的死区时间，从而提高计数率，进而提高单光子探测系统的探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统。
背景技术
随着宽禁带半导体的发展，越来越有希望实现对微弱紫外光信号的探测，国内外对紫外单光子探测器展开了深入的研究，其中SiC、GaN及其三元合金材料AlGaN是制作紫外单光子探测器的理想材料，能够实现紫外单光子探测器在军事、民用等领域具有广阔的应用前景。单光子探测器的工作原理如下，以GaN 雪崩二极管为例，GaN雪崩二极管施加反向偏压，当反向偏压大于雪崩二极管的雪崩电压时，雪崩二极管就工作在盖革模式，当一个光子照射到雪崩二极管时，光子的能量大于材料的禁带宽度时，价带上的电子就会吸收能量跃迁到导带，在外加电场的作用下发生碰撞电压，雪崩倍增，形成自持式的雪崩电流，完成对光子信号的探测。为了不影响探测下一个光子，提高探测器的探测效率，及时的对雪崩信号进行淬灭就显得尤为重要。传统的淬灭电路大多采用被动、门控的方式进行，其中被动淬灭依靠的是大电阻的方式来实现的，具体的说，是通过大电阻和探测芯片串联，当雪崩发生时，探测器两端产生雪崩电流，这时大电阻上分担的电压较大，使得探测芯片两端的电压减小，低于雪崩电压，完成淬灭，这种通过大电阻被动淬灭的方式，它的淬灭的时间较长，恢复时间也较长，不利于提高探测器的探测效率；而门控淬灭的方式是通过在探测芯片两端耦合门信号，当门信号加载到探测芯片的两端时，雪崩二极管的反向偏压大于它的雪崩电压，工作在盖革模式下，可以实现对光子信号的探测，没有门信号时，雪崩二极管两端的反向偏压小于雪崩电压，不能探测光子信号，然而这种淬灭方式需要门信号和光信号同步，使得其应用领域具有一定的局限性，而且在提取雪崩信号时需要滤除雪崩二极管由于结电容影响造成的微分信号，对雪崩信号的提取增加了难度，同时由于二极管结电容的影响，恢复的时间远大于淬灭的时间，影响了单光子探测器的探测效率。
发明内容
基于此，有必要针对传统单光子探测器淬灭电路淬灭或者恢复时间长而引起单光子探测器的探测效率低的问题，提供一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，包括输入光模块、偏压模块、探测芯片和主动淬灭主动恢复电路模块；
所述输入光模块用于输出单光子级别的被测光至所述探测芯片；
所述偏压模块用于施加反向偏压至所述探测芯片；
所述主动淬灭主动恢复电路模块用于主动淬灭所述探测芯片产生的雪崩信号以及主动恢复所述探测芯片两端的偏压；
所述主动淬灭主动恢复电路模块(4)包括雪崩信号提取模块(4-1)、缓冲器(4-2)、第一MOS开关管(4-3)、延时模块(4-5 )和第二MOS开关管(4-4 )；
所述探测芯片(3)、所述雪崩信号提取模块(4-1)、所述缓冲器(4-2)和所述第一MOS开关管(4-3)依次连接，且所述缓冲器(4-2)与所述第一MOS 开关管(4-3)的栅极连接，所述第一MOS开关管(4-3)的源极外接高压，所述第一MOS开关管(4-3)的漏极与所述探测芯片(3)中雪崩二极管的P极连接；
所述缓冲器(4-2)还与所述延时模块(4-5 )、所述第二MOS开关管(4-4 ) 依次连接，且所述延时模块(4-5 )与所述第二MOS开关管(4-4 )的栅极连接，所述第二MOS开关管(4-4 )的源极外接低压，所述第二MOS开关管(4-4 ) 的漏极与所述探测芯片(3)中雪崩二极管的P极连接。
本发明采用主动淬灭主动恢复电路模块实现雪崩信号的主动淬灭和偏压的主动恢复，由于单光子探测器恢复的时间远大于淬灭的时间，因此减小恢复时间可以使得探测器尽快恢复到探测状态，有效的减小探测器的死区时间，从而提高探测器的计数率，进而提高探测器的探测效率，本发明采用主动淬灭与主动恢复相结合的方式，具有实现简单、效果显著、应用前景广阔的优点。
附图说明
图1为本发明基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统的原理结构示意图。
具体实施方式
本发明的主要目的是提供一种实现高探测效率的单光子探测系统，特别是紫外单光子探测系统，本发明针对传统的单光子探测器淬灭电路淬灭时间长而引起单光子探测器的探测效率较低，以及传统的淬灭电路中由于二极管结电容的影响，恢复的时间远大于淬灭的时间，影响单光子探测效率的问题，提出一种采用主动淬灭加主动恢复(AQAR)的淬灭电路的方式，进一步提高探测器的探测效率。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，该系统包括输入光模块1、偏压模块2、探测芯片3 和主动淬灭主动恢复电路模块4，其中输入光模块1、偏压模块2和主动淬灭主动恢复电路模块4分别与探测芯片3连接，输入光模块1用于输出单光子级别的被测光至探测芯片3，偏压模块2用于施加反向偏压至探测芯片3，主动淬灭主动恢复电路模块4则用于主动淬灭探测芯片3产生的雪崩信号以及主动恢复探测芯片3两端的偏压。
具体地，在本实施例中，输入光模块1用于输出单光子级别的被测光至探测芯片3，输入光模块1具体包括耦合透镜、光纤、光功率计、光纤分束器和可调衰减器；耦合透镜将被测光耦合进入光纤，光纤分束器将光纤中的被测光分为两路光信号，其中一路光信号外接光功率计，另一路光信号外接可调衰减器，可调衰减器将光信号的能量衰减为单光子级别后输出至探测芯片3。本实施例中的被测光可选用波长为280nm的激光。
偏压模块2就是用来给探测芯片3提供反向偏压的，使得反向偏压大于探测芯片3的雪崩电压。由于偏压的波动会影响探测芯片3的探测效率，因此为了减小传统滑动变阻器调节偏压带来纹波的影响，本实施例的偏压模块2可以采用上位机编程的方式来实现，上位机2-1将电压数据下发至控制模块2-2，控制模块2-2根据电压数据控制高压模块2-3的电压值，这样避免了人工调节滑动变阻器，从而降低纹波。
单光子能量的光照射到探测芯片3上，价带的电子吸收光子能量跃迁到导带，在外加反向偏压的作用下发生雪崩倍增，形成雪崩电流。优选地，本实施例中的探测芯片3为GaN探测芯片。
主动淬灭主动恢复电路模块4用于主动淬灭探测芯片3产生的雪崩信号和主动恢复探测芯片3两端的偏压，其中主动淬灭是引入反馈，把探测芯片3两端的电压降低到雪崩电压以下，这种主动完成雪崩淬灭的方式淬灭时间更短；主动恢复是将探测芯片3两端的电压升高到雪崩电压以上，从而实现光子信号的探测，结合主动淬灭使得单光子探测系统的探测效率得到进一步提高。
本实施例采用主动淬灭主动恢复电路模块实现雪崩信号的主动淬灭和偏压的主动恢复，由于单光子探测器恢复的时间远大于淬灭的时间，因此减小恢复时间可以使得探测器尽快恢复到探测状态，有效的减小探测器的死区时间，从而提高探测器的计数率，进而提高探测器的探测效率，本发明采用主动淬灭与主动恢复相结合的方式，具有实现简单、效果显著、应用前景广阔的优点。
作为一种具体的实施方式，如图1所示，主动淬灭主动恢复电路模块4包括雪崩信号提取模块4-1、缓冲器4-2、第一MOS开关管4-3、延时模块4-5 和第二MOS开关管4-4 ；探测芯片3、雪崩信号提取模块4-1、缓冲器4-2和第一 MOS开关管4-3依次连接，且缓冲器4-2与第一MOS开关管4-3的栅极连接，第一MOS开关管4-3的源极外接高压，第一MOS开关管4-3的漏极与探测芯片3中雪崩二极管的P极连接；缓冲器4-2还与延时模块4-5 、第二MOS开关管4-4 依次连接，且延时模块4-5 与第二MOS开关管4-4 的栅极连接，第二MOS 开关管4-4 的源极外接低压，第二MOS开关管4-4 的漏极与探测芯片3中雪崩二极管的P极连接。下面将结合图1对本实施方式的技术方案进行清楚、完整的描述。
通过工作在盖革模式下的探测器芯片3吸收光子产生雪崩信号，雪崩信号提取模块主要由放大器、甄别器以及单稳电路构成，主要是为了把微弱的雪崩信号读出，雪崩信号提取模块4-1把提取到的雪崩信号送入到缓冲器4-2中，经过缓冲器4-2的调整后直接把雪崩信号作为第一MOS开关管4-3的开启电压，由于雪崩信号的电压幅度达不到开启电压的要求，因此需要缓冲器4-2提高雪崩信号的电压幅度到第一MOS开关管4-3的开启电压。
主动淬灭也就是AQ的方式，通过反馈的形式将单稳后的雪崩输出信号作为第一MOS开关管4-3的开启电压，缓冲器4-2输出的雪崩信号接在第一MOS 开关管4-3的栅极，第一MOS开关管4-3的源极外接高压(例如源极直接与Vcc连接)，第一MOS开关管4-3的漏极和探测芯片3中雪崩二极管的P极相连接，当第一MOS开关管4-3导通时，使得雪崩二极管两端的电压快速降低至雪崩电压以下，完成淬灭，这种主动引入反馈完成淬灭的方式称为主动淬灭，相比采用大电阻淬灭的方式减少了淬灭的时间，有效的减少了探测器的死区时间。为了完成光子探测后主动进行雪崩淬灭，将缓冲器4-2输出的雪崩信号作为第一 MOS开关管4-3的开启电压，第一MOS开关管4-3的源极和漏极就可以导通，通过在源极外接高压，漏极的电压就和源极的电压相等，再把漏极的电压接到探测芯片3中雪崩二极管的P极，当漏极电压为高电压时，由于雪崩二极管的N 极电压不变，P极电压增大，因此雪崩二极管两端的电压迅速减小。通过这种主动引入反馈的方式有效的完成淬灭，为了快速淬灭，需要MOS开关管的响应速率极快。
主动恢复也就是AR的方式，把缓冲器4-2单稳后的雪崩输出信号经过延时模块4-5进行合适的延时控制，延时模块4-5 输出的经过延时控制后的信号作为第二MOS开关管4-4的开启电压接在第二MOS开关管4-4 的栅极，第二MOS 开关管4-4 的源极外接低压(例如源极直接与GND连接)，第二MOS开关管4-4 的漏极和雪崩二极管的P极相连接，当第二MOS开关管4-4 导通时，使得雪崩二极管两端的电压快速升高，恢复的时间大大缩减，由于恢复的时间远大于淬灭的时间，减小恢复时间，使得探测芯片3快速恢复到探测状态，可以提高探测芯片3的计数率。恢复电路实现的方式是通过单稳后的雪崩信号经过一定的延时来实现，延时模块4-5 可以采用延时芯片组实现，而延时芯片组可以采用555定时器或者通过软件的方式实现。延时模块4-5 合理地调节延时时间，把延时后的信号作为第二MOS开关管4-4 的开启电压，第二MOS开关管4-4 的源极和漏极就可以导通，通过在源极外接低压，漏极的电压就和源极的电压相等，再把漏极的电压接到探测芯片3的两端，当漏极为低电平时，探测芯片3两端的电压就可以快速升高至雪崩电压以上，恢复到盖革模式。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，包括输入光模块(1)、偏压模块(2)、探测芯片(3)和主动淬灭主动恢复电路模块(4)；
所述输入光模块(1)用于输出单光子级别的被测光至所述探测芯片(3)；
所述偏压模块(2)用于施加反向偏压至所述探测芯片(3)；
所述主动淬灭主动恢复电路模块(4)用于主动淬灭所述探测芯片(3)产生的雪崩信号以及主动恢复所述探测芯片(3)两端的偏压；
所述主动淬灭主动恢复电路模块(4)包括雪崩信号提取模块(4-1)、缓冲器(4-2)、第一MOS开关管(4-3)、延时模块(4-5 )和第二MOS开关管(4-4 )；
所述探测芯片(3)、所述雪崩信号提取模块(4-1)、所述缓冲器(4-2)和所述第一MOS开关管(4-3)依次连接，且所述缓冲器(4-2)与所述第一MOS开关管(4-3)的栅极连接，所述第一MOS开关管(4-3)的源极外接高压，所述第一MOS开关管(4-3)的漏极与所述探测芯片(3)中雪崩二极管的P极连接；
所述缓冲器(4-2)还与所述延时模块(4-5 )、所述第二MOS开关管(4-4 )依次连接，且所述延时模块(4-5 )与所述第二MOS开关管(4-4 )的栅极连接，所述第二MOS开关管(4-4 )的源极外接低压，所述第二MOS开关管(4-4 )的漏极与所述探测芯片(3)中雪崩二极管的P极连接。
2.根据权利要求1所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，所述偏压模块(2)包括上位机(2-1)、控制模块(2-2)和高压模块(2-3)；
所述上位机(2-1)将电压数据下发至所述控制模块(2-2)，所述控制模块(2-2)根据所述电压数据控制所述高压模块(2-3)施加反向偏压至所述探测芯片(3)。
3.根据权利要求1所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，所述输入光模块(1)包括耦合透镜、光纤、光功率计、光纤分束器和可调衰减器；
所述耦合透镜将所述被测光耦合进入所述光纤，所述光纤分束器将所述光纤中的所述被测光分为两路光信号，其中一路光信号外接所述光功率计，另一路光信号外接所述可调衰减器，所述可调衰减器将所述光信号的能量衰减为单光子级别后输出至所述探测芯片(3)。
4.根据权利要求1所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，
所述延时模块(4-5 )为延时芯片组。
5.根据权利要求4所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，
所述延时芯片组采用555定时器实现。
6.根据权利要求1所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，
所述探测芯片(3)为GaN探测芯片。
7.根据权利要求1所述的基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测系统，其特征在于，
所述被测光的波长为280nm。
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