CN111351586B - 一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，包括主动淬灭电路、主动恢复电路；主动淬灭电路包括APD芯片、反向放大器、高速比较器和鉴别电平调整电路，APD芯片阳极通过平衡电容Cc接至高速比较器的正向输入端，同时在阳极接在直流偏置控制电路上；APD芯片阴极分两路，其中一路经过平衡电阻R和平衡电容Cd1连接至高速比较器的反向输入端和鉴别电平调整电路，另一路接淬灭晶体管偏置电路；高速比较器正向输出端接反向放大器后生成淬灭信号送至APD芯片的阴极；主动恢复电路为FPGA控制一脉冲触发器，脉冲触发器与高速比较器的正向使能端连接。其优点在于可直接用USB供电，且在低死时间、高探测效率时，具有较低的后脉冲概率，实用性很强。
Description
技术领域
本发明属于高速量子探测光电探测领域，具体涉及一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器。
背景技术
单光子探测器是单光子探测系统的核心，目前应用于单光子探测器的光电转换器件主要有光电倍增管(PMT)和雪崩二极管(APD)，其他的还有真空雪崩二极管(VAPD)、超导转换边缘传感器(TES)、增强光电二极管(IPD)和超导单光子探测器(SSPD)等等。其中，光电倍增管适用于紫外及可见光，但工作电压高、量子效率低、体积大；真空雪崩光电二极管和增强光电二极管是半导体器件与真空电子器件结合在一起制成的新型光电探测器，阴极材料是GaAs、GaAsP或InGaAs-InP，缺点是相对较高的后脉冲概率已经成为其的主要性能瓶颈，严重影响实际应用；超导转换边缘传感器和超导单光子探测器制冷方面的限制使其研究处于实验室阶段。雪崩光电二极管(APD)具有量子效率较高，体积很小且不需要太高的偏压，环境要求较低等特点，是目前单光子探测领域最有优势的探测器，但现有技术存在一下问题，在一次雪崩淬灭后SPAD倍增区的少量雪崩载流子被陷阱俘获，被俘获的载流子在一定时间后有一定概率引发新的雪崩脉冲即后脉冲。随着探测效率的提高，后脉冲概率呈指数上升，相对较高的后脉冲概率已经成为InGaAs(P)/InP SPAD的主要性能瓶颈，严重影响实际应用。降低后脉冲的有效方法之一是设置足够长的死时间使SPAD在雪崩后长时间处于无法产生雪崩的状态，待被俘获载流子耗尽后再恢复。由于死时间内无法探测光子，可能导致堆积(pile-up)效应或首光子倾斜(first photon bias)效应，致使时间相关单光子计数结果失真。由于雪崩光电二极管本身存在分布电容和结电容，这些电容的存在会在门控信号的上升沿和下降沿产生微分干扰脉冲，在微分干扰脉冲中提取雪崩信号是一大挑战。此外，APD发生雪崩后的雪崩二极管本征恢复时间太长，成为影响探测器速度、提高量子密码通讯传输速率的瓶颈。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种小巧轻便、功耗低，可以直接用USB供电；而且在低死时间、高探测效率时，具有较低的后脉冲概率，实用性很强。该InGaAs/InP APD自由运转单光子探测器为实际应用提供了一种低成本、方便的单光子检测方法。其技术方案为，
一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，包括主动淬灭电路、主动恢复电路；主动淬灭电路包括APD芯片、高速比较器、反向放大器和鉴别电平调整电路，所述APD芯片阳极通过平衡电容Cc接至高速比较器的正向输入端，同时在阳极接在直流偏置控制电路上；APD芯片阴极分两路，其中一路经过平衡电阻R和平衡电容Cd1连接至高速比较器的反向输入端和鉴别电平调整电路，另一路接淬灭晶体管偏置电路；高速比较器正向输出端接反向放大器后生成淬灭信号送至APD芯片的阴极；主动恢复电路为FPGA控制D触发器，D触发器产生的恢复信号与高速比较器的正向使能端连接。
进一步的，所述APD芯片装在陶瓷支架上，陶瓷支架粘在铜片上，铜片粘在两级热电制冷片上；APD芯片以及平衡电阻R、陶瓷支架、铜片、热电制冷片、平衡电容Cc、平衡电容Cd1均置于封闭的管壳中，APD芯片的两级通过引线连接到管壳外边的管脚上，管脚焊接在主动淬灭电路上；APD芯片阴极依次与电容C22和电阻R15串联，电容C22和电阻R15串联后与平衡电容Cd1和平衡电阻R的串联电路并联连接至高速比较器的反向输入端。
进一步的，所述反向放大器输入端设有电阻R1，作为高速比较器电平的下拉电阻，电平大小由输出电流限制决定。
进一步的，所述直流偏压控制电路为，由DAC输出的高电平通过电阻R37连接至放大器的反向端，同时通过并联电阻R35和R36和晶体管的集电极Q1相连；电源基准源REF3025产生2.5V的参考电压，通过串联电阻R40和R41连接至放大器的反向端；放大器输出通过电阻R42接至晶体管Q2的基级，晶体管Q1的基级连接至晶体管Q2的集电极，晶体管Q1射级接入高压LV，晶体管Q1的集电极输出直流偏压Vb。
进一步的，所述淬灭晶体管偏置电路为，由7.5V电压经过线性稳压器LT3045产生淬灭恢复信号Qbias；输出端一路接退耦电容，另一路接50欧的电阻产生淬灭恢复信号Qbias加在APD芯片的阴极上。
进一步的，还包括制冷控制模块，所述制冷控制模块包括铂电阻Pt1000和差分放大器，铂电阻Pt1000将差分信号接入差分放大器，输出的模拟信号经过模数转换器送入FPGA。
进一步的，所述鉴别电平调整电路通过数模转换器，并联电阻R5和R6接入放大器的正向端，放大器的输出电阻R8和R9并联，放大器经电阻R12接入高速比较器。
有益效果
与现有的技术相比，本发明的优点是：集成化程度高，外加平衡电路使平衡效果更好，采用低延时主动淬灭技术降低延时。整个系统集成在总体积大约为60mm×54mm×44mm的金属壳内，将平衡电路集成在管壳里面为平衡电容创造了更相似的电磁环境，使得平衡效果更好，抗干扰能力更强。此次设计在APD的两极之间连接了0.7pf的电容和47K的电阻，使平衡效果更上层楼。和同类技术相比，在相同的偏压幅度和门脉冲幅度的情况下能得到更高的探测效率,以及较低的暗计数和后脉冲概率，而且在稳定的工作范围内鉴别电平可以降至很低。各部分电路工作稳定，能够良好的实现对近红外波段单光子高效探测。
附图说明
图1为本发明的电路方框图；
图2为本发明的平衡电路原理图；
图3为本发明的主动淬灭和雪崩提取的电路原理图；
图4为本发明的恢复窄脉冲成型电路原理图；
图5为本发明的温度、直流偏置电压和鉴别电平调控原理图；
图6为本发明偏压控制电路原理图；
图7为本发明淬灭晶体管偏置电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图1-7和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，包括主动淬灭电路、主动恢复电路、直流偏压控制电路和制冷控制模块；
主动淬灭电路包括APD芯片、高速比较器、反向放大器和鉴别电平调整电路，所述APD芯片阳极通过平衡电容Cc接至高速比较器的正向输入端，同时阳极接在直流偏置控制电路上；APD芯片阴极分两路，其中一路经过平衡电阻R和平衡电容Cd1连接至高速比较器的反向输入端和鉴别电平调整电路，另一路接淬灭晶体管偏置电路；高速比较器正向输出端接反向放大器后生成淬灭信号送至APD芯片的阴极；APD芯片阴极依次与电容C22和电阻R15串联，电容C22和电阻R15串联后与平衡电容Cd1和平衡电阻R的串联电路并联连接至高速比较器的反向输入端，使平衡效果更好；所述反向放大器输入端设有电阻R1，作为高速比较器电平的下拉电阻，电平大小由输出电流限制决定。
FPGA控制两个D触发器，分别为D触发器一和D触发器二。
主动恢复电路为FPGA控制D触发器二(恢复窄脉冲成型电路)，产生的恢复脉冲与高速比较器的正向使能端连接。
FPGA控制D触发器一，使雪崩输出的过程中能成功地屏蔽关门信号。
二级比较器输出分两路，其中一路由二级比较器输出雪崩信号至D触发器一，经过D触发器一和电平转换，最终输出雪崩信号；同时另一路雪崩信号直接接入电平转换输出至FPGA。
APD平衡电路包括雪崩二极管D1以及和它封装在一起的平衡电容Cd1和平衡电阻R；所述APD芯片装在陶瓷支架上，陶瓷支架粘在铜片上，铜片粘在两级热电制冷片上；APD芯片以及平衡电阻R、陶瓷支架、铜片、热电制冷片、平衡电容Cc、平衡电容Cd1均置于封闭的金属管壳中，APD芯片的两级通过引线连接到管壳外边的管脚上，管脚焊接在主动淬灭电路上，APD芯片阴极依次与电容C22和电阻R15串联，电容C22和电阻R15串联后与平衡电容Cd1和平衡电阻R的串联电路并联连接至高速比较器的反向输入端。
直流偏压控制电路为，由数字模拟转换器DAC输出的高电平通过电阻R37连接至放大器LT6015的反向端，同时通过并联电阻R35和R36和晶体管的集电极Q1相连；电源基准源REF3025产生2.5V的参考电压，通过串联电阻R40和R41连接至放大器LT6015的反相端；放大器LT6015输出通过电阻R42接至晶体管Q2的基级，晶体管Q1的基级连接至晶体管Q2的集电极，晶体管Q1射级接入高压LV，晶体管Q1的集电极输出直流偏压Vb。
鉴别电平调整电路通过数模转换器，并联电阻R5和R6接入放大器的正向端，放大器的输出电阻R8和R9并联，放大器经电阻R12接入高速比较器。
所述电源模块为各个模块提供电源。
温控模块包括铂电阻Pt1000和差分放大器，铂电阻Pt1000也置于封闭的金属管壳中，铂电阻Pt1000将差分信号接入差分放大器，输出的模拟信号经过模数转换器送入FPGA。
FPGA为现场可编程门阵列的英文缩写；高速比较器采用HMC674LP3E，HMC674LP3E是正射极耦合逻辑电平，输出级是射极跟随器，输出端内部接不到10欧的电阻，自身传播延迟为85ps。平衡电阻R为1欧；平衡电容Cd1为0.47pf；C22为0.7pf和电阻R15为47欧；二级比较器采用ADCMP572，自身延迟为150ps，输出级是集电极，输出端内部接50欧电阻；反向放大器采用强型GaAs高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)ATF-531P8；放大器采用LT6015。各部件具体连接关系如下：
APD芯片阳极通过平衡电容Cc接至高速比较器HMC674LP3E的正向输入端INP，同时阳极接在直流偏置电压电路上；APD芯片阴极经过平衡电阻R和平衡电容Cd1连接至高速比较器HMC674LP3E的反向输入端INN和鉴别电平调整电路；高速比较器主要对产生的微弱的雪崩电流经过比较输出雪崩信号，高速比较器正向输出端Q接反向放大器ATF-531P8对雪崩的电平信号进行反向放大，后生成淬灭信号送至APD芯片的阴极；APD芯片的阴极依次与电容C22和电阻R15串联，电容C22和电阻R15串联后与平衡电容Cd1和平衡电阻R的串联电路并联连接至高速比较器的反向输入端，使平衡效果更好；所述反向放大器输入端设有电阻R1，作为高速比较器电平的下拉电阻，电平大小由输出电流限制决定。
高速比较器HMC674LP3E的反向输出端
接入二级比较器的反向输入端，同时又连入反向使能端
使雪崩淬灭后，对高速比较器进行锁存。二级比较器输出分两路，其中一路由二级比较器输出雪崩信号至D触发器一，经过D触发器一和电平转换，最终输出雪崩信号；同时另一路雪崩信号直接经过电平转换输出至FPGA。
FPGA分别与D触发器一、D触发器二、鉴别电平调控电路、直流偏压控制电路、制冷模块连接；D触发器一、D触发器二两者型号相同，均为MC10EP51DT。
FPGA控制D触发器的RST管脚和CLK反向端管脚，由FPGA产生的恢复脉冲信号控制D触发器二，D触发器二接入HMC674LP3E的正向使能端LE端，D触发器二CLK输入端并联了两个电阻R7和R27，D触发器二正向输出端Q通过电阻R6连接-2V电平，D触发器二反向输出端
通过电阻R9连接-2V电平，同时输出恢复脉冲，在经过设定的死时间后，使高速比较器恢复雪崩鉴别功能，D触发器二在RST端和正向输出端Q之间设有一个延时电阻R2，可以改变电阻R2的值来改变恢复脉冲的半高宽；FPGA控制D触发器一，使雪崩输出的过程中能成功地屏蔽关门信号；FPGA产生关门脉冲经过电容Ca接至高速比较器的VTN端。
淬灭晶体管偏置电路是提供淬灭恢复信号，由7.5V电压经过线性稳压器LT3045产生淬灭恢复信号Qbias，输出端一路接耦电容C9、C10和C11，另一路接50欧的电阻匹配产生Qbias加在APD的阴极上；Ilim管脚通过电阻R71接地，SET管脚和EP管脚通过电容C12连接，SET管脚又通过R70和R72接地。
直流偏压控制电路由DAC输出的高电平Vctrl通过电阻R37连接至放大器LT6015的反向端，同时通过并联电阻R35和R36和Q1的集电极相连。REF3025产生2.5V的参考电压，通过串联电阻R40和R41连接至放大器的反相端。放大器单位输出通过电阻R42接至Q2的基级，Q1的基级连接至Q2的集电极，Q1射级接入高压LV，Q1的集电极输出直流偏压Vb。
鉴别电平调整电路由DAC输出的Vthsrc通过并联电阻R5和R6接入放大器LT6015的正向端，放大器LT6015的输出电阻R8和R9并联。输出的阈值电压VTH经过电阻R12接入HMC674LP3E的VTN端。HMC674LP3E的INN端和VTN端内置50欧电阻。
温控模块采用铂电阻Pt1000，铂电阻一端接入差分放大器的正向端，另一端接地。由TL4051产生1.2V的参考电压通过电阻和电容接入差分放大器AD623的反向端。AD623的REF管脚设置1.2V的参考电压。差分放大器的输出接至AD转换器ADS8866的AINP端，转换后的信号送入FPGA进行处理，同时AD转换器由FPGA控制。
DAC产生的TEC控制信号通过电阻R8接入LT3086的SET管脚，SET管脚能流入50μA的电流，OUT管脚和SET管脚之间连接电阻R6，通过调节TECctrl的值，使输出电压发生变化。TECctrl的范围为0-2.5V。P-OUT输出范围为0-2V。当TECctrl为0V时，P-OUT输出2V；当TECctrl为2.5V时，P-OUT输出0V，从而实现对温度的控制。
采用上述电路，直流偏置电压和D触发器(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的输出端的电平会变低一次，通过高速比较器对APD的输出进行比较输出。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。当探测到雪崩信号时，需要将APD立即淬灭，让APD退出盖革模式，此时，高速比较器会进入锁存模式。经过FPGA设置的死时间后，FPGA会重置高速比较器，进行下一次的探测。
为了探测单光子探测器的性能，还设计了FPGA的测试模块，内置于单光子探测器中。单光子探测器中集成的测试模块产生具有一定频率的激光触发信号，激光脉冲经过分数器和衰减器，最终成为单光子量级，通过空间光耦合的办法耦合至单光子探测器中的APD。基于FPGA的单光子探测器性能测试模块受计算机控制，控制单光子探测器的偏压、温度、门控频率等参数，同时采集单光子探测器的雪崩脉冲输出，对其进行时间相关的计数并将数据发送给计算机进行分析。
本发明利用低延时高速比较器，主动淬灭主动恢复电路，将平衡电路集成在管壳里面为平衡电容创造了更相似的电磁环境，同时在APD的两极之间连接了0.7pf的电容和47K的电阻，使得平衡效果更好，抗干扰能力更强。除此之外，将制冷温控模块集成在系统内，实现了近红外单光子探测器的微型化，同时实现了高性能的近红外单光子探测器。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。另外，前、后、左、右的表述是为更清楚的表述，不应当作为本申请的技术限定。
Claims (6)
1.一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，包括主动淬灭电路、主动恢复电路；主动淬灭电路包括APD芯片、高速比较器、反向放大器和鉴别电平调整电路，所述APD芯片阳极通过平衡电容Cc接至高速比较器的正向输入端，同时在阳极接在直流偏置控制电路上；APD芯片阴极分两路，其中一路经过平衡电阻R和平衡电容Cd1连接至高速比较器的反向输入端和鉴别电平调整电路，另一路接淬灭晶体管偏置电路；高速比较器正向输出端接反向放大器后生成淬灭信号送至APD芯片的阴极；主动恢复电路为FPGA控制D触发器，D触发器产生的恢复信号与高速比较器的正向使能端连接，所述APD芯片以及平衡电阻R、平衡电容Cc、平衡电容Cd1均置于封闭的金属管壳中；所述APD芯片阴极与电容C22、电阻R15串联，电容C22和电阻R15串联后与平衡电容Cd1和平衡电阻R的串联电路并联连接至高速比较器的反向输入端。
2.根据权利要求1所述的一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，所述APD芯片装在陶瓷支架上，陶瓷支架粘在铜片上，铜片粘在两级热电制冷片上；所述铜片、热电制冷片均置于封闭的管壳中，APD芯片的两级通过引线连接到管壳外边的管脚上，管脚焊接在主动淬灭电路上。
3.根据权利要求1所述的一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，所述反向放大器输入端设有电阻R1，作为高速比较器电平的下拉电阻，电平大小由输出电流限制决定。
4.根据权利要求1所述的一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，所述直流偏置控制电路为，由DAC输出的高电平通过电阻R37连接至放大器的反向端，同时通过并联电阻R35和R36和晶体管的集电极Q1相连；电源基准源REF3025产生2.5V的参考电压，通过串联电阻R40和R41连接至放大器的反向端；放大器输出通过电阻R42接至晶体管Q2的基级，晶体管Q1的基级连接至晶体管Q2的集电极，晶体管Q1射级接入高压LV，晶体管Q1的集电极输出直流偏压Vb。
5.根据权利要求1所述的一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，所述淬灭晶体管偏置电路为，由7.5V电压经过线性稳压器LT3045产生淬灭恢复信号Qbias；输出端一路接退耦电容，另一路接50欧的电阻产生淬灭恢复信号Qbias加在APD芯片的阴极上。
6.根据权利要求2所述的一种集成化的低延时主动淬灭近红外单光子探测器，其特征在于，还包括制冷控制模块，所述制冷控制模块包括铂电阻Pt1000和差分放大器，铂电阻Pt1000将差分信号接入差分放大器，输出的模拟信号经过模数转换器送入FPGA。
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