CN111121984B - 一种可双模式工作的雪崩光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可双模式工作的雪崩光电探测器，属于传感器领域。包括可调电阻器R1，雪崩光电二极管APD，取样电阻Rs，低噪声放大器，多路开关1，线性放大器，计数器，信号处理器，数‑模转换器，以及多路开关2；APD通过可调电阻器R1被偏置高压反向偏置，然后通过取样电阻Rs接到地端；通过取样电阻Rs，APD探测光子得到的电流信号，被转化为电压信号后，输入低噪声放大器；低噪声放大器提供一定的增益，提高信噪比和后端驱动能力，以免APD输出信号在后续处理中被引入的噪声淹没，便于后续处理。

Description

一种可双模式工作的雪崩光电探测器

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种可双模式工作的雪崩光电探测器。

背景技术

雪崩光电探测器是由雪崩光电二极管，及其配套的驱动和信号预处理电路组成的。雪崩光电二极管作为一种具有内增益的光电转换元件，特别适合对微弱光的探测，是光电检测、光学传感中的核心元件之一。根据其使用方式不同，雪崩光电二极管可工作于线性模式和盖革模式。雪崩光电二极管所处的模式决定了雪崩光电探测器所处的模式。在线性模式下，可以实现对光信号的线性转换，并且具有一定的内部增益，即为线性模式的雪崩光电探测器。在盖革模式下，其内部增益足够大，可以实现对单个光子能量的检测，即为盖格模式的雪崩光电探测器。

本发明将雪崩光电二极管在线性模式与盖革模式下，不同的驱动和信号提取方式相结合，使得其可以在两种模式之间进行切换，以发挥其在不同工作模式下的优势与特点，适应不同的应用需求。

现有技术方案，通常只能使雪崩光电二极管独立工作在线性或盖革模式，而不能在这两种模式之间进行切换。例如在输入光能量相对较强时，线性模式工作的雪崩光电探测器可以获得线性的电信号输出；但在光输入能量微弱至单光子量级时，则只可能在盖革模式下进行探测。现有技术条件，雪崩光电二极管工作在线性模式时，通常其输出与输入成线性关系，通过预处理之后，即可输入到模-数转换器中，将二极管输出的模拟信号转化为数字信号，以供后续处理。而雪崩光电二极管工作在盖革性模式时，尽管此时具有对单个光子能量检测的灵敏度，但其输出信号为饱和脉冲信号，即此时无论输入光强为多少，都具有几乎相同的脉冲幅值，通常经过阈值比较器后，利用脉冲计数器来统计和分析信号。

因此，两种模式下雪崩光电探测器输出的信号具有不同的特征，和不同的处理方式：线性模式下的输出信号需要模数转换，而盖革模式下的输出信号需要脉冲计数。在同一个电路上难以实现对线性信号和饱和脉冲信号的集约化处理。

现有技术条件下，采用的雪崩光电二极管可以是相同的，但由于其驱动与信号处理的不同，线性模式的雪崩探测器和盖革模式的雪崩探测器，是两种独立的探测器。

本发明解决了线性模式的雪崩探测器和盖革模式的雪崩探测器不能在驱动和输出信号处理上兼容的问题，使雪崩光电二极管工作在两种模式下，也能具有相同特征的输出信号，便于后端电路的统一处理。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可双模式工作的雪崩光电探测器。本发明将线性模式和盖革模式进行技术融合，使雪崩光电二极管在不同工作模式下，但仍然具有相同的输出信号特征，可以采用统一的接口和信号格式，有利于集约化后续信号处理。同时，也使雪崩光电探测器具有在强光(采用线性模式)和微弱光(采用盖革模式)不同场景的适应性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可双模式工作的雪崩光电探测器，包括可调电阻器R1，雪崩光电二极管APD，取样电阻Rs，低噪声放大器，多路开关一，线性放大器，计数器，信号处理器，数-模转换器，以及多路开关二；

APD通过可调电阻器R1被偏置高压反向偏置，然后通过取样电阻Rs接到地端；

通过取样电阻Rs，APD探测光子得到的电流信号，被转化为电压信号后，输入低噪声放大器；低噪声放大器提供一定的增益，提高信噪比和后端驱动能力，以免APD输出信号在后续处理中被引入的噪声淹没，便于后续处理。

可选的，所述雪崩光电探测器的模式设定为线性模式时，首先调节R1到较小值，即1k 欧姆～100k欧姆，此时R1仅起限流作用，绝大部分偏置电压分配在APD上；其次，调整偏置高压，使此时APD上的反偏电压大于其开启电压Vth且小于其击穿电压Vbr，即让APD 工作在线性增益区；然后，多路开关一和多路开关二都选择“线性通道”；从APD出来的信号经过低噪声放大之后，就进入线性放大器；线性放大器的增益需要根据后端接口的要求进行调节；后端通常是模-数转换器或数据采集卡，根据其输入信号适用范围，对线性放大器的增益进行调节，以获得良好匹配；线性放大后的信号，经过多路开关二送入输出端Vout。

可选的，所述雪崩光电探测器的模式设定为盖革模式时，首先将R1调节到较大值，即 500k欧姆～1M欧姆，此时R1起到淬灭电阻的作用，即对APD进行被动复位；其次，调节偏置高压，使APD上的反偏电压高于其击穿电压Vbr，即让APD工作在盖革区；然后将多路开关一和多路开关二都连接到“盖革通道”；从APD出来的信号经过低噪声放大之后，在“盖革通道”中依次通过计数器、控制器和数-模转换器，最后通过多路开关二，输送到探测器输出端Vout；其中，计数器对饱和脉冲信号进行计数；信号处理器通过对单位时间内的计数进行统计，利用强度与脉冲信号频次的正相关关系，确定光信号强度；然后，信号处理器将得到的强度信息数值，按照其大小，通过数模转换器转化为幅度不同的脉冲；这些脉冲通过多路开关二输送到输出端Vout；

当模式设定为盖革模式时，根据单位时间内，APD输出的脉冲个数来映射强度信息，即正相关关系；第一个时间段Δt内的脉冲个数比第二个时间段Δt内多，即认为在前一个时间段Δt内的光强较强，在后一个时间段Δt内的光强较弱；

信号处理器将不同时间段Δt内的计数进行统计，信号处理器再将得到的统计个数除以统计时间段Δt，得到频次值；依据该值的大小发送相应幅度的脉冲，按照频次大的脉冲幅度大，频次小的幅度小之规则，将不同的频次值转换为幅度不同的脉冲，依时间顺序由数模转换器处理后输出，即N2/Δt的值在t2’时刻输出幅度为V2的脉冲，N3/Δt的值在t3’时刻输出幅度为V3的脉冲；显然N2大于N3,又因为Δt相同，则N2/Δt大于N3/Δt，于是V2大于V3；这样APD输出饱和脉冲的疏密程度信息，转换为输出端Vout输出的与之对应幅度的脉冲。

本发明的有益效果在于：

本发明的优点和积极效果在于探测器使用的灵活性和便捷性。

本发明融合了雪崩光电探测器的两种工作模式，其可以根据不同的光强环境，采用更为适合的工作方式，使得探测器的应用更为灵活。而现有技术下，两种工作方式对应两种不同的探测器，不能应对环境光强的激烈变化。

同时，两种模式下的信号都可按同样的方式输出，使用时不必考虑两种输出带来的接口匹配问题。可以采用同一接口和统一信号处理方式，提高了使用便捷性。而现有技术下，线性模式下的线性脉冲输出，通常需要线性放大和模数采样处理；而盖革模式下的饱和脉冲输出，通常需要计数统计处理。两种方式的输出接口不同，使用时不得不考虑采用不同的后端来匹配问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明总体结构原理框图；

图2为盖革模式时信号处理过程示意图；图2(a)为脉冲频次与强度；图2(b)为脉冲频次统计与分布；图2(c)为转话为幅度信息；

图3为“数字输出”结构原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1：本发明涉及的探测器构成如图1所示，主要包括可调电阻器R1和偏置高压，雪崩光电二极管(APD)，取样电阻Rs，低噪声放大器，多路开关一，线性放大器，计数器，信号处理器，数-模转换器，以及多路开关二。

APD通过可调电阻器R1被高压反向偏置，然后通过取样电阻Rs接到地端。通过Rs电阻，APD探测光子得到的电流信号，被转化为电压信号后，输入低噪声放大器。低噪声放大器提供一定的增益，提高信噪比和后端驱动能力，以免APD输出信号在后续处理中被引入的噪声淹没，便于后续处理。同时，较小的增益是为了避免在后续放大处理中饱和，或超过后端处理元件的输入上限。

当模式设定为线性模式，首先调节R1到较小值，约1k欧姆到100k欧姆，此时R1仅起限流作用，绝大部分偏置电压分配在APD上。其次，调整偏置高压，使此时APD上的反偏电压大于其开启电压Vth且小于其击穿电压Vbr，即让APD工作在线性增益区。然后，多路开关一和多路开关二都选择“线性通道”。因此，从APD出来的信号经过低噪声放大之后，就进入线性放大器。线性放大器的增益需要根据后端接口的要求进行调节。后端通常是模-数转换器或数据采集卡，这是需要根据其输入信号适用范围，对线性放大器的增益进行调节，以获得良好匹配。线性放大后的信号，经过多路开关二送入输出端Vout。

当模式设定为盖革模式，首先将R1调节到较大值，约500k欧姆到1M欧姆，此时R1起到淬灭电阻的作用，即可以对APD进行被动复位。其次，调节偏置高压，使APD上的反偏电压高于其击穿电压Vbr，即让APD工作在盖革区。然后将多路开关一和多路开关二都连接到“盖革通道”。从APD出来的信号经过低噪声放大之后，在“盖革通道”中依次通过计数器、控制器和数-模转换器，最后通过多路开关二，输送到探测器输出端Vout。其中，计数器对饱和脉冲信号进行计数；信号处理器通过对单位时间内的计数进行统计，利用强度与脉冲信号频次的正相关关系，确定光信号强度；然后，信号处理器将得到的强度信息数值，按照其大小，通过数模转换器转化为幅度不同的脉冲。这些脉冲通过多路开关二输送到输出端Vout。

当模式设定为盖革模式时，“盖革通道”中对信号的处理过程如图2所示。由于此时APD 输出为饱和脉冲，其幅度几乎不变，因此不能反映出光强的大小。但是，可以根据单位时间内，APD输出的脉冲个数来映射强度信息，这种映射关系为正相关关系。如图2(a)中所示，第一个时间段Δt内的脉冲个数比第二个时间段Δt内多，即可以认为在前一个时间段Δt内的光强较强，在后一个时间段Δt内的光强较弱。

信号处理器将不同时间段Δt内的计数进行统计，如图2(b)所示，例如：前一个时间段Δt 内，标记为时间t2,此时计数为N2；后一个时间段Δt内，标记为时间t3,此时计数为N3。与图2(a)中对应脉冲疏密程度对应，t2时的数值高于t3时刻。信号处理器再将得到的统计个数除以统计时间段Δt，得到频次值。按此处的符号表示，可以得到N2/Δt和N3/Δt。依据该值的大小发送相应幅度的脉冲，按照频次大的脉冲幅度大，频次小的幅度小之规则，将不同的频次值转换为幅度不同的脉冲，依时间顺序由数模转换器处理后输出，如图2(c)所示，即N2/Δt 的值在t2’时刻输出幅度为V2的脉冲，N3/Δt的值在t3’时刻输出幅度为V3的脉冲。显然N2 大于N3,又因为Δt相同，则N2/Δt大于N3/Δt，于是V2大于V3。这样APD输出饱和脉冲的疏密程度信息，转换为输出端Vout输出的与之对应幅度的脉冲。

图1说明：APD被高压反向偏置，根据设定，其工作于线性模式或盖革模式，以对其偏压大小进行配置。

线性模式下，设定APD偏压小于其击穿电压Vbr。调节R1阻值，使其起到限流作用。通过设置两个多路开关一和多路开关二，APD输出的信号处于线性通道中，进行线性放大处理。

盖革模式下，设定APD偏压大于其击穿电压Vbr。调节R1阻值，使其起到雪崩淬灭作用。通过设置两个多路开关一和多路开关二，APD输出的信号处于盖革通道中，进行计数和统计分析，以及数-模转换处理。

两种模式都通过同一端口输出，并且都为模拟信号，以利于后续处理。

图2说明：盖革模式下，不同光强条件，APD输出以脉冲如图2(a)所示,光较强时单位时间内的脉冲数量较多，光较弱时则数量较少。脉冲数量可以通过在累积时间段Δt内求和得到，如图2(b)所示。信号处理器根据得到的累积时间内脉冲的多少，通过累积个数除以累积时间得到脉冲频次值，再通过数-模转换器输出不同幅度的模拟脉冲信号，如图2(c)所示。

实施例2：如图3所示，在图1中线性处理通道中，通过线性放大器后，直接送入模-数转换器，转化为数字信号，即“数字输出”结构。盖革通道中，没有数模转换器，直接将脉冲频次信息通过数字信号输出。这样，探测器最终输出都是数字化的强度信息，同样满足同一接口，相同信号输出方式的特点。其他部分内容与功能与实施例1相同，不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种可双模式工作的雪崩光电探测器，其特征在于：包括可调电阻器R1，雪崩光电二极管APD，取样电阻Rs，低噪声放大器，多路开关一，线性放大器，计数器，信号处理器，数-模转换器，以及多路开关二；

APD通过可调电阻器R1被偏置高压反向偏置，然后通过取样电阻Rs接到地端；

通过取样电阻Rs，APD探测光子得到的电流信号，被转化为电压信号后，输入低噪声放大器；低噪声放大器提供一定的增益，提高信噪比和后端驱动能力，以免APD输出信号在后续处理中被引入的噪声淹没，便于后续处理；

所述雪崩光电探测器的模式设定为线性模式时，首先调节R1到较小值，即1k欧姆～100k欧姆，此时R1仅起限流作用，绝大部分偏置电压分配在APD上；其次，调整偏置高压，使此时APD上的反偏电压大于其开启电压Vth且小于其击穿电压Vbr，即让APD工作在线性增益区；然后，多路开关一和多路开关二都选择线性通道；从APD出来的信号经过低噪声放大之后，就进入线性放大器；线性放大器的增益需要根据后端接口的要求进行调节；后端接口是模-数转换器或数据采集卡，根据其输入信号适用范围，对线性放大器的增益进行调节，以获得良好匹配；线性放大后的信号，经过多路开关二送入输出端Vout；

所述雪崩光电探测器的模式设定为盖革模式时，首先将R1调节到较大值，即500k欧姆～1M欧姆，此时R1起到淬灭电阻的作用，即对APD进行被动复位；其次，调节偏置高压，使APD上的反偏电压高于其击穿电压Vbr，即让APD工作在盖革区；然后将多路开关一和多路开关二都连接到盖革通道；从APD出来的信号经过低噪声放大之后，在盖革通道中依次通过计数器、信号处理器和数-模转换器，最后通过多路开关二，输送到探测器输出端Vout；其中，计数器对饱和脉冲信号进行计数；信号处理器通过对单位时间内的计数进行统计，利用强度与脉冲信号频次的正相关关系，确定光信号强度；然后，信号处理器将得到的强度信息数值，按照其大小，通过数模转换器转化为幅度不同的脉冲；这些脉冲通过多路开关二输送到输出端Vout；

当模式设定为盖革模式时，根据单位时间内，APD输出的脉冲个数来映射强度信息，即正相关关系；第一个时间段Δt内的脉冲个数比第二个时间段Δt内多，即认为在前一个时间段Δt内的光强较强，在后一个时间段Δt内的光强较弱；

信号处理器将不同时间段Δt内的计数进行统计，信号处理器再将得到的统计个数除以统计时间段Δt，得到频次值；依据该值的大小发送相应幅度的脉冲，按照频次大的脉冲幅度大，频次小的幅度小的规则，将不同的频次值转换为幅度不同的脉冲，依时间顺序由数模转换器处理后输出，即N2/Δt的值在t2’时刻输出幅度为V2的脉冲，N3/Δt的值在t3’时刻输出幅度为V3的脉冲；N2和N3为不同时间段的脉冲个数；若N2大于N3，又因为Δt相同，则N2/Δt大于N3/Δt，于是V2大于V3；这样APD输出饱和脉冲的疏密程度信息，转换为输出端Vout输出的与之对应幅度的脉冲。

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