CN112556841A - 集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，包括门控被动淬灭和主动淬灭；FPGA分别接偏压调整电路、射频放大器、鉴别电平调整、比较器锁存使能端、D触发器；门控信号通过电容Cc接SPAD阳极，SPAD阳极通过电阻RL接偏压调整电路，SPAD阴极接变压器1端口，变压器6端口通过低通滤波器和低噪声放大器接比较器的反向输入端；鉴别电平调整电路接比较器的正向输入端；比较器的输出一路经过D触发器和伪高电子迁移率晶体管接变压器的2端口，另一路接双差分D触发器；双差分D触发器的输出一路产生雪崩输出，另一路接FPGA。其优点在于，高频门控被动淬灭电路中添加主动淬灭电路，防止了最初几十ns内释放后脉冲触发更高阶的后脉冲效应。
Description
技术领域
本发明属于光探测技术领域，特别是涉及集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器。
背景技术
InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)出现了多年，需要通过诸如量子密钥分配(QKD)和光检测与测距(LiDAR)之类的应用来进行近红外单光子检测。InGaAs/InP SPAD是一种针对单光子探测特殊优化的雪崩光电二极管(APD)，具有功耗低，制冷要求低，探测效率较高，探测系统体积小，可靠性高，与多模光纤耦合容易，有望成为该波段小型、便携、高可靠性应用中探测器件的最优选择。与超导单光子探测器(SSPD)相比，SPAD由于对冷却的要求低且尺寸相对紧凑而得到了更广泛的应用。但是，在InGaAs SPAD中，在计数率和检测效率之间取得平衡一直是一个长期存在的问题，这是由其严重的后脉冲效应引起的。后脉冲是指由于缺陷所捕获的先前雪崩载流子的自发释放而引起的第二个或甚至更高阶的虚假雪崩脉冲，并且随着检测效率的提高，产生后脉冲的可能性也随之增加。
对于给定的SPAD，通常有两种方法可以在不牺牲检测效率的情况下抑制后脉冲效应。一种是在发生雪崩事件后将SPAD off保持一段时间(称为“保持时间”或“死时间”)。由于被捕获的载流子通常在223K的温度下数十微秒后耗尽，因此保持较长的死时间显然会降低最大计数率。第二种方法是更快地淬灭SPAD，以减少载流子的数量。在普通淬灭技术中，门控被动淬灭在高计数应用中非常流行。但是，仅当大多数入射光子在较短的门开的时候，才具有较高的检测效率。当它用作自由运转探测器时，即光源与门不同步时，平均检测效率下降到仅峰值的约20％，具体取决于门控信号的占空比。较小的占空比有助于降低后脉冲概率，但也会降低平均探测效率。尽管如此，它仍然可以用于自由运行的应用中，例如3D-LiDAR，这些应用要求低后脉冲概率和低死时间，还有低的探测效率。对于真正的自由运行InGaAs探测器，即使是最先进的探测器也有超过50ns的死时间。但是，为了获得足够低的后脉冲概率，对于100ns的死时间，探测效率应保持在10％以下。另外，对于探测效率高于15％，通常应将死时间设置为1μs或更长。
基于上述问题，本发明结合了门控被动淬灭和快速主动淬灭技术并通过改进来实现目标，提出了一种高频门控InGaAs SPD，其目标是在同步门控和自由运行应用中实现较高的平均检测效率，同时保持较低的死时间和较低的后脉冲概率。
其技术方案为：
一种集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，包括SPAD芯片、变压器、比较器和FPGA；FPGA分别接偏压调整电路、射频放大器、鉴别电平调整、比较器锁存使能端、D触发器输入端；FPGA产生的门控信号经过功率放大器、射频放大器和高通滤波器，通过耦合电容器Cc加在SPAD芯片的阳极，SPAD芯片的阳极通过限流电阻接偏压调整电路，SPAD芯片的阴极接变压器1端口，变压器6端口通过低通滤波器和低噪声放大器接比较器的反向输入端；鉴别电平调电路接比较器的正向输入端；比较器输出端分别接D触发器输入端和双差分D触发器输入端；比较器输出的雪崩信号经过D触发器和伪高电子迁移率晶体管接变压器的2端口；双差分D触发器输出端一路经电平转换输出雪崩信号，另一路接到FPGA。
进一步的，变压器的初级绕组1端口和3端口分别接SPAD芯片的阴极和虚拟电容器CD，只有雪崩电流转换到变压器的次级；同时门控信号通过电容器CC连接至SPAD的阳极，偏压调整电路通过限流电阻RL连接至SPAD的阳极。
进一步的，所述虚拟电容器CD包括平衡电容C2和耦合电容C8。
进一步的，SPAD芯片产生的雪崩电流信号通过变压器的6端口送至一级低通滤波器滤除噪声，并经过宽带低噪声射频放大器放大31dB输出CMP_IN信号，CMP_IN信号经过二级低通滤波器后接入比较器的反向输入端。
进一步的，FPGA控制信号经过电平转换接入数模转换器，数模转换器的两路输出分别接鉴别电平调整电路的鉴别电平和偏压控制电路的直流偏压。
进一步的，偏压调整电路中，由FPGA发出的控制信号经过电平转换器接入数模转换器，数模转换器输出偏压调整VadjBias信号；VadjBias信号通过电阻R24和R68接入放大器一的反相端，放大器的反相端经过并联电阻R21和R22接入晶体管Q2的集电极，高压LV通过电阻R23接Q2的发射极，放大器一的输出通过电阻R26接入晶体管Q1的基极，Q2的基级和Q1的集电极相连，Q2的集电极产生直流偏压Vb。
进一步的，鉴别电平调整电路中，数模转换器输出偏压调整VadjDis信号，VadjDis信号接入放大器二的正向端；放大器二的反向端和输出端之间并联电阻R13和电容C34；放大器二的输出端输出鉴别电平Dis_Lv信号，放大器二的反向端通过R15、R16接入放大器三的输出端，参考电压Vref2p5接放大器三的正向输入端，放大器三的反向输入端与输出端之间并联C33和R14。
有益效果
与现有的技术相比，本发明的优点是：在高频门控被动式淬灭电路中添加主动淬灭电路，防止了在最初的数十纳秒内释放后脉冲触发的更高阶的后脉冲效应。同时，提出了新颖的方法将高频门控信号、主动淬灭信号和雪崩电流检测电路一起单独施加在SPAD上。主动淬灭和高频门控信号都可以通过SPAD的结电容器反馈，SPAD信号输出时，瞬态响应成为噪声，选用电容平衡法结合高频门控被动淬灭部分，噪声消除达到了很好的效果。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，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为本发明的门控被动淬灭电路原理图；
图3为本发明的雪崩鉴别电路原理图；
图4为本发明的雪崩提取电路原理图；
图5为本发明的主动淬灭电路原理图；
图6为本发明的功率放大电路原理图；
图7为本发明的鉴别电平控制电路原理图；
图8为本发明的偏压调整电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图1-8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。
一种集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，包括门控被动淬灭模块、主动淬灭模块和FPGA控制模块；
FPGA分别接偏压调整电路、射频放大器、鉴别电平调整、比较器锁存使能端、D触发器输入端；FPGA产生的门控信号经过功率放大器、射频放大器和高通滤波器，通过耦合电容器Cc加在SPAD芯片的阳极，SPAD芯片的阳极通过限流电阻接偏压调整电路，SPAD芯片的阴极接变压器1端口，变压器6端口通过低通滤波器和低噪声放大器接比较器的反向输入端；鉴别电平调电路接比较器的正向输入端；比较器输出端分别接D触发器输入端和双差分D触发器输入端；比较器输出的雪崩信号经过D触发器和伪高电子迁移率晶体管接变压器的2端口；双差分D触发器输出端一路经电平转换输出雪崩信号，另一路接到FPGA。
其中门控被动淬灭模块包括门控产生电路、偏压调整电路、高通滤波器、SPAD芯片、以及变压器和低通滤波器；高频门控信号由现场可编程门阵列(FPGA)的发射器产生，数据速率设置为6.25Gbps，数据模式为“0011”，以获得1.5625GHz的时钟速率，门控信号由两级功率放大器(PA)放大到大约20Vpp，并通过高通滤波器(HPF)消除从FPGA发射器发出的宽带噪声；门控信号再通过耦合电容Cc加在SPAD芯片的阳极，SPAD芯片的阴极连接变压器的初级绕组1端口，平衡电容C2(0.4pf)、平衡电阻R3(1Ω)和耦合电容C8(100pf)连接至初级绕组3端口，偏压调整电路的直流偏压Vb通过限流电阻R1(5.1kΩ)接至SDAP的阳极。耦合电容Cc包括C6，为100pf；虚拟电容器CD包括平衡电容C2和耦合电容C8；限流电阻RL包括限流电阻R1。
门控信号经过的功率放大器选用HMC637ALP5E，输入端通过耦合电容C6接入芯片的RFIN端，栅极偏置电压端口Vgg1和Vgg2分别接-2V和+5V，-2V电压通过退耦电容C18、C19和C20接入Vgg1端口，+5V电压通过退耦电容C9和C10接入Vgg2端口；漏极偏置电压Vdd通过C1、C2、C3、C4、C5和一个偏置电感L1(BCR-272)接入输出端口RFOUT，使所有的交流信号被阻断。
图8所示，偏压调整电路中，由FPGA发出的控制信号经过电平转换器(SN74LV4T125PW)接入数模转换器(DAC8562SDSC)，数模转换器输出偏压调整VadjBias信号；VadjBias信号通过电阻R24和R68接入放大器一(OPA320)的反相端，放大器一的反相端经过并联电阻R21和R22接入晶体管Q2的集电极，高压LV通过电阻R23接Q2的发射极，放大器的输出通过电阻R26接入晶体管Q1的基极，Q2的基级和Q1的集电极相连，Q2的集电极产生直流偏压Vb。
主动淬灭模块包括鉴别电平调整电路、比较器、D触发器、伪高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)、低通滤波器、低噪声放大器和变压器；SPAD芯片产生的雪崩电流信号经过变压器、低噪声放大器和两级低通滤波器连接至比较器的反向输入端，其中一级低通滤波器包括两个串联的0915LP15B026芯片(图2所示)；二级低通滤波器包括一个0915LP15B026芯片(图3所示)；比较器鉴别并输出的雪崩信号一路经过D触发器和E-pHEMT反向放大形成淬灭信号连接至RF变压器初级绕组的中轴(3端口)传输到SPAD的阴极。另一路接入双差分D触发器的时钟输入端，双差分D触发器的输出接至FPGA，同时双差分D触发器的输出经过电平转换产生雪崩输出；FPGA直接控制比较器的锁存使能端LE和
锁定时间由FPGA控制。
图7所示，由FPGA发出的控制信号经过电平转换器SN74LV4T125PW接入数模转换器DAC8562SDSC，数模转换器输出偏压调整VadjDis信号，VadjDis信号接入放大器二的正向端；放大器二的反向端和输出端之间并列电阻R13和C34；放大器二的输出端输出鉴别电平Dis_Lv信号，放大器二的反向端通过R15、R16接入放大器三的输出端，参考电压Vref2p5接放大器三的正向输入端，放大器三的反正向输入端与输出端之间并联C33和R14。
比较器采用芯片ADCMP573，在雪崩电流信号CMP_IN进入比较器的反相输入端VN之前经过二级低通滤波器0915LP15B026；比较器的正向输出端Q输出雪崩正脉冲，反向输出端
输出雪崩负脉冲，Q端接电阻R4，
端接电阻R5，R4和R5并联后通过电阻R55接地；由FPGA控制的一对差分信号分别接入比较器的锁存使能端LE和
比较器的输出一路经过D触发器MC100EP29MN，比较器输出的雪崩差分信号接至D触发器的CLK0端，由FPGA控制的两个信号分别控制D触发器的R0端和S0端，一路信号通过电阻R57和R62接入S0端用于强制SPAD进入淬灭状态停止探测，另一路信号通过电阻R2和R51接入R0端用于复位D触发器，恢复SPAD的探测功能；输出端Q0通过下拉电阻R63接入反向放大器ATF-531P8的G端口，6.8V的电压通过退耦电容(C80、C81、C82)和电阻R43接入ATF-531P8的输出端口D，同时输出端口产生的主动淬灭信号AQ连接至RF变压器初级绕组的中轴(3端口)传输到SPAD的阴极。
比较器输出的另一路接入双差分D触发器的时钟输入端，双差分D触发器的输出送至FPGA，同时双差分D触发器的输出经过电平转换器MC100EPT23DT产生雪崩输出；双差分D触发器的输出端Q0和
以及Q1和
输出两对差分信号并送入FPGA，Q0和
端分别通过电阻R6和R7接地，Q1和
端分别通过电阻R9和R10接地。同时两对差分信号接入电平转换器MC100EPT23DT，电平转换器的输出端Q0和Q1分别输出以雪崩信号上沿时刻作为起始的雪崩脉冲信号和以雪崩信号下沿时刻作为起始的雪崩脉冲信号，图4所示。
采用上述电路，直流偏置电压、主动淬灭电路输出电压与高频门控信号负峰电压绝对值之和大于雪崩光电二极管的击穿电压时，雪崩光电二极管进入到盖革模式，对单光子进行检测。当有雪崩电流产生时，混有高频门控噪声的雪崩电流通过变压器和滤波器滤除门控噪声，到达比较器进行比较，输出雪崩脉冲；此时，比较器输出的雪崩脉冲使D触发器置位，驱动ATF-531P8降低SPAD阴极电压使SPAD进入无法探测光子的状态，即进入“死时间”。当死时间过后，FPGA对D触发器进行复位，使SPAD恢复可探测光子的状态，同时FPGA锁定比较器，避免主动淬灭信号产生的脉冲噪声对比较器的影响，在经过一段设定的时间，脉冲噪声消失后FPGA解除比较器的锁定功能，进行单光子探测。在整个上述过程中，高频门控信号始终存在，并对雪崩的淬灭起主要作用，而D触发器仅用于维持雪崩脉冲淬灭后的死时间，以进一步降低后脉冲发生的概率。
本发明利用门控被动淬灭和主动淬灭技术相结合，提出了新颖的方法将高频门控信号、主动淬灭信号和雪崩电流检测电路一起单独施加在SPAD上。高频门控信号由现场可编程门阵列(FPGA)的发射器产生，可以通过编码设置数据速率，同时可以输入不同的数字模式以获得需要的时钟速率。该高频门控近红外单光子探测器与以往的门控探测器相比，在相同的探测效率下，有更低的后脉冲概率，能良好地完成各方面的近红外探测任务。
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。
Claims (7)
1.一种集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，包括SPAD芯片、变压器、比较器和FPGA；FPGA分别接偏压调整电路、射频放大器、鉴别电平调整、比较器锁存使能端、D触发器输入端；FPGA产生的门控信号经过功率放大器、射频放大器和高通滤波器，通过耦合电容器Cc加在SPAD芯片的阳极，SPAD芯片的阳极通过限流电阻接偏压调整电路，SPAD芯片的阴极接变压器1端口，变压器6端口通过低通滤波器和低噪声放大器接比较器的反向输入端；鉴别电平调电路接比较器的正向输入端；比较器输出端分别接D触发器输入端和双差分D触发器输入端；比较器输出的雪崩信号经过D触发器和伪高电子迁移率晶体管接变压器的2端口；双差分D触发器输出端一路经电平转换输出雪崩信号，另一路接到FPGA。
2.根据权利要求1所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，变压器的初级绕组1端口和3端口分别接SPAD芯片的阴极和虚拟电容器CD，只有雪崩电流转换到变压器的次级；同时门控信号通过电容器CC连接至SPAD的阳极，偏压调整电路通过限流电阻RL连接至SPAD的阳极。
3.根据权利要求1所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，所述虚拟电容器CD包括平衡电容C2和耦合电容C8。
4.根据权利要求1所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，SPAD芯片产生的雪崩电流信号通过变压器的6端口送至一级低通滤波器滤除噪声，并经过宽带低噪声射频放大器放大31dB输出CMP_IN信号，CMP_IN信号经过二级低通滤波器后接入比较器的反向输入端。
5.根据权利要求1所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，FPGA控制信号经过电平转换接入数模转换器，数模转换器的两路输出分别接鉴别电平调整电路的鉴别电平和偏压控制电路的直流偏压。
6.根据权利要求5所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，偏压调整电路中，由FPGA发出的控制信号经过电平转换器接入数模转换器，数模转换器输出偏压调整VadjBias信号；VadjBias信号通过电阻R24和R68接入放大器一的反相端，放大器的反相端经过并联电阻R21和R22接入晶体管Q2的集电极，高压LV通过电阻R23接Q2的发射极，放大器一的输出通过电阻R26接入晶体管Q1的基极，Q2的基级和Q1的集电极相连，Q2的集电极产生直流偏压Vb。
7.根据权利要求5所述的集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器，其特征在于，鉴别电平调整电路中，数模转换器输出偏压调整VadjDis信号，VadjDis信号接入放大器二的正向端；放大器二的反向端和输出端之间并联电阻R13和电容C34；放大器二的输出端输出鉴别电平Dis_Lv信号，放大器二的反向端通过R15、R16接入放大器三的输出端，参考电压Vref2p5接放大器三的正向输入端，放大器三的反向输入端与输出端之间并联C33和R14。
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