CN114199390B - 快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，包括滤波器、SPAD单光子探测器、信号放大电路、高速比较电路、高速驱动器和射频变压器；所述SPAD单光子探测器的N极通过信号放大电路、高速比较电路和高速驱动器与射频变压器的初级线圈电连接，所述SPAD单光子探测器的P极与射频变压器的次级线圈电连接。本发明通过信号放大电路、高速比较电路、高速驱动器和射频变压器提供淬灭过偏压，可提供的淬灭电压较大，能有效降低单光子探测装置的暗计数，淬灭及恢复时间短，有利于探测效率的提高及降低探测死时间；电路简单，易于商业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，特别涉及快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置。
背景技术
单光子探测的超低噪声、超高灵敏度特点使其能对单个光子进行计数，实现微弱目标信号的探测，因此，在可获得的信号强度仅为几个光子能量的荧光分析、量子通信等应用领域中也越来越受推崇。单光子探测器要实现单光子探测，需单光子探测器的反向偏压高于击穿电压VBR而进入盖格模式工作，但持续加远高于器件VBR的电压，器件持续的大功耗又极容易导致器件损坏。因此，单光子探测器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。尤其对于硅基单光子探测器，其本身的击穿电压少则一百多伏，多则几百上千伏，则需要的过偏压也更高。完成淬灭后，要缩短探测盲区，减少探测死时间，又需要单光子探测器的反向偏压快速恢复至高于击穿电压VBR进入盖格模式工作状态，等待下一次激励。
对于产生淬灭及恢复电压的方式，目前已发表的报道多采用MOS开关管实现，但对于需提供较高淬灭电压的单光子探测器，耐压值及开关速度又极大的限制了MOS开关管的选型范围，且成本较高。本发明旨在提供一种基于单光子探测器产生的雪崩信号，反馈主动实现单光子探测器快速淬灭、快速恢复且有商业应用前景的单光子探测装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，包括滤波器、SPAD单光子探测器、信号放大电路、高速比较电路、高速驱动器、射频变压器、电阻R2、电容C3和电容C4；所述滤波器的第一端用于连接输入电源，第二端通过电阻R2与SPAD单光子探测器的N极电连接，所述SPAD单光子探测器的N极还通过电容C3与信号放大电路的输入端电连接，所述信号放大电路的输出端通过电容C4与高速比较电路的输入端电连接，所述高速比较电路的输出端与高速驱动器的输入端电连接，所述高速驱动器的输出端与射频变压器的初级线圈电连接，所述SPAD单光子探测器的P极与射频变压器的次级线圈电连接；
所述滤波器用于对输入电压进行滤波；所述信号放大电路用于在单光子探测器产生雪崩电流时对通过电容C3的信号进行反相放大；所述高速比较电路用于将信号放大电路输出的信号转化为对应的脉冲信号；所述高速驱动器用于将高速比较电路输出的脉冲信号转换为电压较高且驱动能力较强的大电压脉冲信号；所述射频变压器用于对高速驱动器输出的电压进行升压。
进一步的，所述滤波器包括电阻R1、电容C1和电容C2，所述电阻R1的第一端作为滤波器的第一端与直流高压电源的输出端电连接，所述电阻R1的第一端还通过电容C1接地；所述电阻R1的第二端作为滤波器的第二端与电阻R2电连接，所述电阻R1的第二端还通过电容C2接地。
进一步的，所述电容C1、电容C2和电容C3的耐压值大于或等于SPAD单光子探测器的击穿电压的1.5倍。
进一步的，所述信号放大电路包括运算放大器U1、电阻R3和电阻R4；所述运算放大器U1的同相输入端接地，反相输入端与电阻R3的第二端电连接，所述电阻R3的第一端作为信号放大电路的输入端与电容C3电连接，所述运算放大器U1的反相输入端还通过电阻R4与其输出端电连接，所述运算放大器U1的输出端作为信号放大电路的输出端与电容C4电连接。所述运算放大器U1的电源正端连接正供电电压Vcc，电源负端连接负供电电压Vss。
进一步的，通过调节电阻R4与R3的比值调节对SPAD单光子探测器的雪崩信号的检测灵敏度。
进一步的，所述高速比较电路包括比较器U2和电阻R5，所述比较器U2的同相输入端作为高速比较电路的输入端与电容C4电连接，所述比较器U2的同相输入端还通过电阻R5接地，所述比较器U2的反相输入端连接参考电压Vref，所述比较器U2的输出端作为高速比较电路的输出端与高速驱动器的输入端电连接。
进一步的，所述参考电压Vref比SPAD单光子探测器未产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压高，比SPAD单光子探测器产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压低。
进一步的，所述射频变压器的输入绕组的第一端与高速驱动器的输出端电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端与SPAD单光子探测器的P极电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端还通过电阻R6与其输出绕组的第二端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第二端和输出绕组的第二端均接地。
进一步的，所述射频变压器的输入绕组的第一端与高速驱动器的输出端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第一端还与其输出绕组的第二端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第二端接地；所述射频变压器的输出绕组的第一端与SPAD单光子探测器的P极电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端还通过电阻R6与其输出绕组的第二端电连接。
进一步的，所述输入电源为直流高压电源，所述直流高压电源产生的电压通过滤波器和取样电阻R2后在SPAD单光子探测器的N极产生的偏置高压VP高于SPAD单光子探测器的击穿电压VBR。
本发明中，SPAD单光子探测器在没有产生雪崩信号时一直处于盖革工作模式，当产生了雪崩信号后，能在其P极产生一个快速大电压脉冲，使SPAD单光子探测器的N极与P极两端电压迅速降低到击穿电压以下，使雪崩状态消失，实现淬灭，之后，SPAD单光子探测器的N极与P极两端电压又恢复到高于击穿电压而处于盖革工作模式等待下一次激发。本发明可提供的淬灭电压较大，能有效降低单光子探测装置的暗计数，淬灭及恢复时间短，有利于探测效率的提高及降低探测死时间；电路简单，易于商业化应用。
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为本发明快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置的一个优选实施例的结构示意图。
图2为图1中a、b、c、d、e五个节点的波形示意图。
图3为本发明快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置的另一优选实施例的结构示意图。
图中：1.直流高压电源，2.滤波器，3.信号放大电路，4.高速比较电路，5.高速驱动器，6.射频变压器，7.SPAD单光子探测器。
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，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。
实施例1
如图1所示，本发明快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置的一个优选实施例包括滤波器2、SPAD单光子探测器7、信号放大电路3、高速比较电路4、高速驱动器5、射频变压器6、电阻R2、电容C3和电容C4；其中，电阻R2作为采样电阻，电容C3和电容C4作为隔直电容。所述滤波器2的第一端用于连接输入电源，所述输入电源用于在SPAD单光子探测器7的两端产生高于其击穿电压的电势差，从而使SPAD单光子探测器7在未产生雪崩电流时工作在盖革工作模式。所述滤波器2的第二端通过电阻R2与SPAD单光子探测器7的N极电连接，所述SPAD单光子探测器7的N极还通过电容C3与信号放大电路3的输入端电连接；所述电容C3需要考虑耐压值，电容C3的耐压值优选为大于或等于SPAD单光子探测器7的击穿电压的1.5倍。所述信号放大电路3的输出端通过电容C4与高速比较电路4的输入端电连接，所述高速比较电路4的输出端与高速驱动器5的输入端电连接，所述高速驱动器5的输出端与射频变压器6的初级线圈电连接，所述SPAD单光子探测器7的P极与射频变压器6的次级线圈电连接。
所述输入电源优选为采用直流高压电源1，所述直流高压电源1产生的电压通过滤波器2和取样电阻R2后在SPAD单光子探测器7的N极产生稳定的偏置高压VP，通过设置直流高压电源1的输出电压，使偏置高压VP高于SPAD单光子探测器7的击穿电压VBR。
所述滤波器2优选为包括电阻R1、电容C1和电容C2，所述电阻R1的第一端作为滤波器2的第一端与直流高压电源1的输出端电连接，所述电阻R1的第一端还通过电容C1接地；所述电阻R1的第二端作为滤波器2的第二端与电阻R2电连接，所述电阻R1的第二端还通过电容C2接地。电容C1作为滤波电容，电阻R1作为限流电阻，电容C2作为滤波与蓄流电容，所述电容C1和电容C2需要考虑耐压值，电容C1和电容C2的耐压值优选为大于或等于SPAD单光子探测器7的击穿电压的1.5倍。所述滤波器2用于对输入电压进行滤波。
所述信号放大电路3优选为包括运算放大器U1、电阻R3和电阻R4；本实施例中，所述运算放大器U1采用Analogy Devices公司的高性能信号放大器AD8014，当然，也可采用其他性能相似的放大器。所述运算放大器U1的同相输入端接地，反相输入端与电阻R3的第二端电连接，所述电阻R3的第一端作为信号放大电路3的输入端与电容C3电连接，所述运算放大器U1的反相输入端还通过电阻R4与其输出端电连接，所述运算放大器U1的输出端作为信号放大电路3的输出端与电容C4电连接。所述运算放大器U1的电源正端连接正供电电压Vcc，电源负端连接负供电电压Vss。所述信号放大电路3用于在单光子探测器产生雪崩电流时对通过电容C3的信号进行反相放大。电阻R3和电阻R4作为调节电阻，通过对电阻R4与R3的比值进行调节能够调节信号放大电路3的放大倍数，从而调节对SPAD单光子探测器7的雪崩信号的检测灵敏度。
所述高速比较电路4包括比较器U2和电阻R5，本实施例中，所述比较器U2采用MAXIM公司的MAX998高速比较器，当然，也可采用其他性能相似的比较器。所述比较器U2的同相输入端作为高速比较电路4的输入端与电容C4电连接，所述比较器U2的同相输入端还通过电阻R5接地，所述比较器U2的反相输入端连接参考电压Vref，所述比较器U2的输出端作为高速比较电路4的输出端与高速驱动器5的输入端电连接。所述比较器U2的电源正端连接正供电电压Vcc，电源负端接地。所述高速比较电路4用于将信号放大电路3输出的信号转化为对应的脉冲信号。设置参考电压Vref时，需要使参考电压Vref比SPAD单光子探测器7未产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压高，比SPAD单光子探测器7产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压低。
所述高速驱动器5用于将高速比较电路4输出的脉冲信号转换为电压较高且驱动能力较强的大电压脉冲信号；本实施例中，所述高速驱动器5采用intersil公司的EL4757高速驱动器5，当然，也可采用其他性能相似的高速驱动器5。
所述射频变压器6用于对高速驱动器5输出的电压进行升压。所述射频变压器6的带宽优选为0.25Hz～105MHz，例如，可采用Mini-Ciruits公司的ADT16-6射频变压器6。本实施例中，ADT16-6射频变压器6采用双绕组接法，可实现4倍电压放大。具体连接方法为：所述射频变压器6的输入绕组的第一端(Pri.Dot端)与高速驱动器5的输出端电连接，所述射频变压器6的输出绕组的第一端(Sec.Dot端)与SPAD单光子探测器7的P极电连接，所述射频变压器6的输出绕组的第一端(Sec.Dot端)还通过电阻R6与其输出绕组的第二端(Sec.端)电连接，所述射频变压器6的输入绕组的第二端(Pri.端)和输出绕组的第二端(Sec.端)均接地。
如图1和图2所示，本实施例的工作原理如下：
当SPAD单光子探测器7未产生雪崩电流时，取样电阻R2上的电流变化较小，由于电容C3的隔直作用，送入信号放大电路3的信号也较小，由于设置的比较参考电压Vref高于此信号，因此MAX998高速比较器的输出为低电平，高速驱动器5输出也为低电平，射频变压器6的初级线圈无电流变化，其次级线圈Sec.Dot端也无感应电动势，由于射频变压器6的次级线圈直流工作时电阻较小，电压降也较小，因此直流高压电源1提供的电压在SPAD单光子探测器7的两端产生的电势差高于SPAD单光子探测器7的击穿电压，使SPAD单光子探测器7处于盖革模式工作状态。
当SPAD单光子探测器7受到光子或本身的噪声激励产生雪崩电流，会在取样电阻R2上形成以高压电源电压为基准的负脉冲信号，该信号经隔直电容C3隔直后送入信号放大电路3进一步反相放大，再经隔直电容C4送入MAX998高速比较器的同向输入端，由于设置的参考电压Vref比未产生雪崩电流时的信号高，比产生雪崩电流时的信号低，因此一旦检测到雪崩信号，高速比较电路4会输出一个脉冲信号，例如，当设置高速驱动器5EL4757输出高电平为15伏时，则高速驱动器5一旦接收到比较器输出的脉冲信号，就会输出一个同频率、同脉宽、但电压幅度可到15伏的大电压脉冲，并送到射频变压器6ADT16-6的初级线圈，该大电压脉冲经射频变压器64倍放大后在次级线圈产生60伏的电压加在SPAD单光子探测器7的P极，从而使SPAD单光子探测器7的N极与P极两端的电压迅速降低60伏而低于击穿电压VBR，使SPAD单光子探测器7淬灭。
SPAD单光子探测器7一旦淬灭，流过取样电阻R2上的电流也迅速降低，从而取样电阻上的信号经信号放大电路3放大后也会低于参考电压Vref，使比较器输出为低电平，这使高速驱动器5的输出端的输出电压接近0伏，从而射频变压器6的初级线圈无电流变化，次级线圈也无感应电动势，由于射频变压器6的次级线圈在直流工作时电阻较小，电压降也较小，从而加在SPAD单光子探测器7两端的电压又迅速恢复到高于SPAD单光子探测器7的击穿电压而使SPAD单光子探测器7进入盖革模式工作状态，等待下一次激发。
如图2所示，为图1中a、b、c、d、e五个节点在SPAD单光子探测器7在一次雪崩前后的波形示意图，比较直观地显示了在SPAD单光子探测器7未发生雪崩前、检测到雪崩信号期间及快速淬灭后a、b、c、d、e五个节点的波形变化。
本实施例中，在SPAD单光子探测器7没有产生雪崩信号时，其N极与P极两端的电压高于击穿电压而一直处于盖革工作模式，当SPAD单光子探测器7产生了雪崩信号后，能在其P极产生一个快速大电压脉冲，使SPAD单光子探测器7的N极与P极两端电压迅速降低到击穿电压以下，使雪崩状态消失，实现淬灭，雪崩状态一旦消失，SPAD单光子探测器7的N极与P极两端电压又恢复到高于击穿电压而处于盖革工作模式等待下一次激发。具有淬灭、恢复时间快，提供的淬灭过偏压高等特点，能有效降低单光子探测装置的暗计数，有利于提高探测效率、缩短探测盲区、降低探测死时间。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别仅在于射频变压器6的连接方法不同，本实施例中，射频变压器6采用自耦接法，从而可实现5倍电压放大。具体连接方法为：以所述射频变压器6的输入绕组Pri.Dot端与高速驱动器5的输出端电连接，所述射频变压器6的输入绕组的Pri.Dot端还与其输出绕组的Sec.端电连接，所述射频变压器6的输入绕组的Pri.端接地；所述射频变压器6的输出绕组的Sec.Dot端与SPAD单光子探测器7的P极电连接，所述射频变压器6的输出绕组的Sec.Dot端还通过电阻R6与其输出绕组的Sec.端电连接。
如图3所示，本实施例的工作原理如下：
当SPAD单光子探测器7未产生雪崩电流时，取样电阻R2上的电流变化较小，高速驱动器5输出低电平，射频变压器6的初级线圈无电流变化，其次级线圈Sec.Dot端也无感应电动势，由于射频变压器6的初级线圈和次级线圈直流工作时电阻较小，电压降也较小，因此直流高压电源1提供的电压在SPAD单光子探测器7的两端产生的电势差高于SPAD单光子探测器7的击穿电压，使SPAD单光子探测器7处于盖革模式工作状态。
当SPAD单光子探测器7产生雪崩电流时，会使高速比较电路4会输出一个脉冲信号，当设置高速驱动器5EL4757输出高电平为15伏时，则高速驱动器5会输出一个同频率、同脉宽、但电压幅度可到15伏的大电压脉冲，并送到射频变压器6ADT16-6的初级线圈，该大电压脉冲经射频变压器65倍放大后在次级线圈产生75伏的电压加在SPAD单光子探测器7的P极，从而使SPAD单光子探测器7的N极与P极两端的电压迅速降低75伏而低于击穿电压VBR，使SPAD单光子探测器7淬灭。
SPAD单光子探测器7一旦淬灭，流过取样电阻R2上的电流也迅速降低，从而使射频变压器6的初级线圈无电流变化，次级线圈也无感应电动势，由于射频变压器6的初级线圈和次级线圈在直流工作时电阻较小，电压降也较小，从而加在SPAD单光子探测器7两端的电压又迅速恢复到高于SPAD单光子探测器7的击穿电压而使SPAD单光子探测器7进入盖革模式工作状态，等待下一次激发。
本实施例中，能够在射频变压器6的次级线圈产生5倍于初级线圈的电压，提供的淬灭过偏压比实施例1更高，能更有效地降低单光子探测装置的暗计数，提高探测效率、缩短探测盲区、降低探测死时间。
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 (10)
1.一种快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，包括滤波器、SPAD单光子探测器、信号放大电路、高速比较电路、高速驱动器、射频变压器、电阻R2、电容C3和电容C4；所述滤波器的第一端用于连接输入电源，第二端通过电阻R2与SPAD单光子探测器的N极电连接，所述SPAD单光子探测器的N极还通过电容C3与信号放大电路的输入端电连接，所述信号放大电路的输出端通过电容C4与高速比较电路的输入端电连接，所述高速比较电路的输出端与高速驱动器的输入端电连接，所述高速驱动器的输出端与射频变压器的初级线圈电连接，所述SPAD单光子探测器的P极与射频变压器的次级线圈电连接；
所述滤波器用于对输入电压进行滤波；所述信号放大电路用于在单光子探测器产生雪崩电流时对通过电容C3的信号进行反相放大；所述高速比较电路用于将信号放大电路输出的信号转化为对应的脉冲信号；所述高速驱动器用于将高速比较电路输出的脉冲信号转换为电压较高且驱动能力较强的大电压脉冲信号；所述射频变压器用于对高速驱动器输出的电压进行升压。
2.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述滤波器包括电阻R1、电容C1和电容C2，所述电阻R1的第一端作为滤波器的第一端与直流高压电源的输出端电连接，所述电阻R1的第一端还通过电容C1接地；所述电阻R1的第二端作为滤波器的第二端与电阻R2电连接，所述电阻R1的第二端还通过电容C2接地。
3.根据权利要求2所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述电容C1、电容C2和电容C3的耐压值大于或等于SPAD单光子探测器的击穿电压的1.5倍。
4.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述信号放大电路包括运算放大器U1、电阻R3和电阻R4；所述运算放大器U1的同相输入端接地，反相输入端与电阻R3的第二端电连接，所述电阻R3的第一端作为信号放大电路的输入端与电容C3电连接，所述运算放大器U1的反相输入端还通过电阻R4与其输出端电连接，所述运算放大器U1的输出端作为信号放大电路的输出端与电容C4电连接；所述运算放大器U1的电源正端连接正供电电压Vcc，电源负端连接负供电电压Vss。
5.根据权利要求4所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，通过调节电阻R4与R3的比值调节对SPAD单光子探测器的雪崩信号的检测灵敏度。
6.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述高速比较电路包括比较器U2和电阻R5，所述比较器U2的同相输入端作为高速比较电路的输入端与电容C4电连接，所述比较器U2的同相输入端还通过电阻R5接地，所述比较器U2的反相输入端连接参考电压Vref，所述比较器U2的输出端作为高速比较电路的输出端与高速驱动器的输入端电连接。
7.根据权利要求6所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述参考电压Vref比SPAD单光子探测器未产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压高，比SPAD单光子探测器产生雪崩电流时比较器U2的同相输入端的电压低。
8.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述射频变压器的输入绕组的第一端与高速驱动器的输出端电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端与SPAD单光子探测器的P极电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端还通过电阻R6与其输出绕组的第二端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第二端和输出绕组的第二端均接地。
9.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述射频变压器的输入绕组的第一端与高速驱动器的输出端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第一端还与其输出绕组的第二端电连接，所述射频变压器的输入绕组的第二端接地；所述射频变压器的输出绕组的第一端与SPAD单光子探测器的P极电连接，所述射频变压器的输出绕组的第一端还通过电阻R6与其输出绕组的第二端电连接。
10.根据权利要求1所述的快速主动淬灭主动恢复的单光子探测装置，其特征在于，所述输入电源为直流高压电源，所述直流高压电源产生的电压通过滤波器和取样电阻R2后在SPAD单光子探测器的N极产生的偏置高压VP高于SPAD单光子探测器的击穿电压VBR。
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