CN113720447B - 一种门控硅基可见近红外单光子探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源、射频变压器、高速CMOS驱动器、FPGA、高速比较器、人机交互界面、硅基可见近红外单光子探测器SAPD；直流高压电源串联电感及限流电阻后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD的N极；本发明能产生上升下降时间较短的大电压门控脉冲，在提高单光子探测效率的同时能有效降低暗计数及后脉冲概率，并能有效滤除门控脉冲前后沿引起的尖峰噪声，实现雪崩信号的计数，同时门控脉冲的宽度及幅度以及重复频率可以调节，针对不同的硅基可见近红外单光子探测器，方便调整工作点以达到性能更优。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种门控硅基可见近红外单光子探测装置。
背景技术
器件结构及采用的工艺决定了硅基可见近红外单光子探测器需加少则一百多伏，多则几百上千伏且远高于器件击穿电压VBR的电压才能进入盖格模式工作实现单光子探测，持续加远高于器件VBR的电压，器件持续的雪崩电流又极容易导致器件损坏，因此，硅基可见近红外单光子探测器SAPD需结合相应的淬灭电路才能实现单光子探测能力的同时延长器件寿命。目前，常用的淬灭方式有被动淬灭、主动淬灭及门控淬灭，对于门控淬灭，已报道的文献中主要针对InGaAs探测器，对硅基探测器的报道甚少。InGaAs探测器需加的偏压及过偏压都较低，而门控工作模式下硅基可见近红外单光子探测器要在不损坏器件的条件下实现较高的单光子探测效率及较低的暗计数与后脉冲概率，则加在SAPD上的偏置高压VP要尽量低于击穿电压VBR,要保证门控脉冲VPulse叠加到偏置高压VP后加在SAPD两端的电压幅度远高于器件击穿电压VBR，则门控脉冲VPulse的幅度要尽量大，且脉冲宽度要尽量窄，要保证足够的探测门宽，即门控脉冲VPulse为较稳定的高电平时间，这就需要门控脉冲VPulse的上升下降时间尽可能短，这无疑提高了门控脉冲VPulse的产生难度；门控脉冲幅度越大、上升下降时间越短，前后沿形成的尖峰噪声也越大，这也提高了雪崩信号的提取难度。
发明内容
为了能够产生上升下降时间较短的大电压门控脉冲从而提高单光子探测效率的同时能有效降低暗计数及后脉冲概率，并且滤除因门控脉冲前后沿引起的尖峰噪声，实现雪崩信号的计数，本发明提出一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源1、射频变压器2、高速CMOS驱动器3、FPGA4、高速比较器5、人机交互界面6、硅基可见近红外单光子探测器SAPD7，其中：
直流高压电源1串联电感L及限流电阻R1后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；
FPGA4产生脉冲宽度及重复频率可调节的gate信号并送给高速CMOS驱动器3，高速CMOS驱动器3将gate信号转换成同频率、同脉冲宽度、但幅度更大且可调的脉冲驱动信号送给连接的射频变压器2，射频变压器2将脉冲驱动信号进一步电压放大，形成脉冲上升、下降时间较短的大电压门控脉冲并经电容C1耦合到硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；
硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的P极接有一个一端接地的取样电阻R2，取样电阻R2上取得的信号送入高速比较器5的正输入端，高速比较器5的负输入端接有电压幅度为雪崩信号幅度一半的比较参考电压，若取样电阻R2上取得的信号高于比较参考电压，则高速比较器5输出端输出高电平；否则高速比较器5输出端输出低电平；
进一步的，FPGA4内部生成一个与门逻辑器并将gate信号进行延时得到gate_delay信号，gate_delay信号与高速比较器5输出端送入FPGA4中的信号进行相与操作，即得到只由雪崩信号引起的计数脉冲count。
进一步的，gate_delay信号应满足其前沿在无雪崩信号时正尖峰噪声经高速比较器5比较形成的窄脉冲后延靠后2～5nS位置处。
进一步的，FPGA4与人机交互界面6相连接，通过人机交互界面6可修改FPGA4产生的gate信号的脉冲宽度和重复频率，并将FPGA4处理获取的暗计数、光计数发送到人机交互界面6显示。
进一步的，获取暗计数、光计数的过程包括：
通过人机交互界面6设置FPGA4每次gate信号发生的脉冲串个数；
当硅基可见近红外单光子探测器SAPD7严格挡光时，FPGA4统计计数脉冲count的脉冲个数即可获得暗计数；
当硅基可见近红外单光子探测器SAPD7在探测门内接收到一个或多个光子，FPGA4统计计数脉冲count的脉冲个数即可获得光计数。
本发明的优点在于：
1、可产生脉冲幅度大,上升下降时间短的大电压门控脉冲VPulse，从而提高单光子探测效率的同时能有效降低暗计数及后脉冲概率；
2、门控脉冲VPulse的脉冲宽度及重复频率可通过FPGA调节，门控脉冲VPulse的幅度可通过高速CMOS驱动器调节，针对不同的硅基可见近红外单光子探测器SAPD，方便调整工作点以达到性能更优，兼容性强。
3、基于高速比较器将尖峰噪声及雪崩信号转换成FPGA可处理的数字脉冲，通过FPGA内部的信号延迟及可编程逻辑即可实现雪崩信号的提取及计数，实现难度小。
附图说明
图1为本发明一种门控硅基可见近红外单光子探测装置的结构示意图；
图2为一种门控硅基可见近红外单光子探测装置在图1中的a、b、c三个节点的波形示意图；
其中，1：直流高压电源；2：射频变压器；3：高速CMOS驱动器；4：FPGA；5：高速比较器；6：人机交互界面；7：硅基可见近红外单光子探测器SAPD；L：电感；R1：限流电阻；R2：取样电阻；C1：电容；VREF：比较参考电压。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源1、射频变压器2、高速CMOS驱动器3、FPGA4、高速比较器5、人机交互界面6、硅基可见近红外单光子探测器SAPD7，其中：
直流高压电源1串联电感L及限流电阻R1后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；
FPGA4产生脉冲宽度及重复频率可调节的gate信号并送给高速CMOS驱动器3，高速CMOS驱动器3将gate信号转换成同频率、同脉冲宽度、但幅度更大且可调的脉冲驱动信号送给连接的射频变压器2，射频变压器2将脉冲驱动信号进一步电压放大，形成脉冲上升、下降时间较短的大电压门控脉冲并经电容C1耦合到硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；
硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的P极接有一个一端接地的取样电阻R2，取样电阻R2上取得的信号送入高速比较器5的正输入端，高速比较器5的负输入端接有电压幅度为雪崩信号幅度一半的比较参考电压，若取样电阻R2上取得的信号高于比较参考电压，则高速比较器5输出端输出高电平；否则高速比较器5输出端输出低电平；
FPGA4内部生成一个与门逻辑器并将gate信号进行延时得到gate_delay信号，gate_delay信号与高速比较器5输出端送入FPGA4中的信号进行相与操作，得到只由雪崩信号引起的计数脉冲count；
FPGA4与人机交互界面6相连接，通过人机交互界面6可修改FPGA4产生的gate信号的脉冲宽度和重复频率，并将FPGA4处理获取的暗计数、光计数发送到人机交互界面6显示。
实施例1
本实施例中，如图1所示，一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源、射频变压器、高速CMOS驱动器、FPGA、高速比较器、人机交互界面。
由于FPGA、高速CMOS驱动器、射频变压器、高速比较器有较多型号可供选择，本实施例涉及的具体实施方式以intersil公司的EL4757高速CMOS驱动器、Mini-Ciruits公司的ADT16-6射频变压器及MAXIM公司的MAX998高速比较器进行实例效果说明。EL4757高速CMOS驱动器最高工作频率可到40MHz，低电平输出电压范围为-5V～+8V，高电平输出电压范围为-2V～+16.5V；ADT16-6射频变压器可实现4倍电压放大，带宽为0.25Hz～105MHz。
在本实施例中，直流高压电源通过与硅基单光子雪崩光电二极管SAPD串联的电感L及电阻R1为SAPD的N极提供一个低于击穿电压VBR的稳定偏置高压VP；
FPGA产生脉冲宽度为30nS、重复频率为100kHz的gate信号并送给高速CMOS驱动器，高速CMOS驱动器的电路连接使其低电平输出为0，高电平输出为15V，则gate信号经高速CMOS驱动器及射频变压器后形成的门控脉冲VPulse的重复频率为100kHz、脉冲高电平为60V、高电平稳定时间大于10nS，10％～90％的上升、下降时间均小于10nS；
门控脉冲经电容C1耦合到SAPD的N极，如图2中a点的示意波形所示，N极电压迅速增加到高于击穿电压VBR几十伏水平，SAPD进入盖革模式工作状态，此时SAPD具备单光子探测能力，一旦受到光子或SAPD本身的噪声激励，就会迅速进入雪崩状态产生雪崩信号。门控脉冲变为低电平时，N极电压又迅速回到低于击穿电压VBR的电压VP，起到淬灭作用。
由于SAPD的电容效应，如图2中b点的示意波形所示，门控脉冲的前沿及后沿会在取样电阻R2上形成一正一负的尖峰噪声，雪崩信号则以正尖峰噪声前沿及其以后的任意时刻为起点开始出现，以负尖峰噪声为终点消失，因此取样电阻R2上取得的信号将是尖峰噪声与雪崩信号的叠加信号，且雪崩信号有可能低于尖峰噪声。
将电阻R2上取得的信号送入高速比较器的正输入端，高速比较器的负输入端接一个为雪崩信号幅度一半的比较参考电压VREF，比较器电源接与FPGA输入端口兼容的电压，电阻R2上取得的信号与比较参考电压VREF相比较，高于VREF则输出为高电平，低于VREF则输出为低电平，其示意波形如图2中c点所示。
为只对产生的雪崩信号进行计数，如图2所示，FPGA4内部生成一个与门逻辑器并将gate信号进行延时得到gate_delay信号，gate_delay信号应满足其前沿在无雪崩信号时正尖峰噪声经高速比较器5比较形成的窄脉冲后延靠后2～5nS位置处，gate_delay信号与高速比较器5输出端送入FPGA4中的信号进行相与操作，即得到只由雪崩信号引起的计数脉冲count。
通过人机交互界面设置每次gate信号发生的脉冲串个数，SAPD不加光时，即可获得暗计数，SAPD若探测门内接收到光子，即可获得光计数。人机交互界面可通过FPGA对门控脉冲宽度、门控脉冲重复频率，门控脉冲串个数进行设置，并将暗计数、光计数等测试结果进行处理显示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，其特征在于，包括直流高压电源(1)、射频变压器(2)、高速CMOS驱动器(3)、FPGA(4)、高速比较器(5)、人机交互界面(6)、硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)，其中：
直流高压电源(1)串联电感(L)及限流电阻(R1)后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)的N极；
FPGA(4)产生脉冲宽度及重复频率可调节的gate信号并送给高速CMOS驱动器(3)，高速CMOS驱动器(3)将gate信号转换成同频率、同脉冲宽度、但幅度更大且可调的脉冲驱动信号送给连接的射频变压器(2)，射频变压器(2)将脉冲驱动信号进一步电压放大，形成脉冲上升、下降时间较短的大电压门控脉冲并经电容(C1)耦合到硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)的N极；
硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)的P极接有一个一端接地的取样电阻(R2)，取样电阻(R2)上取得的信号送入高速比较器(5)的正输入端，高速比较器(5)的负输入端接有电压幅度为雪崩信号幅度一半的比较参考电压，若取样电阻(R2)上取得的信号幅度高于比较参考电压，则高速比较器(5)输出端输出高电平；否则高速比较器(5)输出端输出低电平；
FPGA(4)与人机交互界面(6)相连接，通过人机交互界面(6)可修改FPGA(4)产生的gate信号的脉冲宽度和重复频率，并将FPGA(4)处理获取的暗计数、光计数等发送到人机交互界面(6)显示。
2.根据权利要求1所述的一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，其特征在于，FPGA(4)内部生成一个与门逻辑器并产生一个相对于gate信号有一定延时的gate_delay信号，gate_delay信号与高速比较器(5)输出端送入FPGA(4)中的信号进行相与操作，得到只由雪崩信号引起的计数脉冲count。
3.根据权利要求2所述的一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，其特征在于，gate_delay信号相对于gate信号的延时应满足gate_delay信号的前沿在无雪崩信号时正尖峰噪声经高速比较器(5)比较形成的脉冲信号后延靠后2～5nS 位置处。
4.根据权利要求1所述的一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，其特征在于，获取暗计数、光计数的过程包括：
通过人机交互界面(6)设置FPGA(4)每次gate信号发生的脉冲串个数；
当硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)严格挡光时，FPGA(4)统计计数脉冲count的脉冲个数即可获得暗计数；
当硅基可见近红外单光子探测器SAPD(7)在探测门内接收到一个或多个光子，FPGA(4)统计计数脉冲count的脉冲个数即可获得光计数。
5.根据权利要求1所述的一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，其特征在于，门控脉冲的脉冲宽度及重复频率可通过FPGA产生的gate信号进行调节，门控脉冲的幅度可通过高速CMOS驱动器进行调节。
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