一种主动淬灭自由运行探测器制造技术

本发明专利技术揭示了一种主动淬灭自由运行探测器，可调偏置电路输出可调偏压通过限流滤波电路与APD阴极相连，所述APD阴极连接高速比较器U1，所述高速比较器U1连接D触发器U2，所述D触发器U2连接逻辑控制器U5，所述逻辑控制器U5连接或逻辑芯片U3，所述或逻辑芯片U3连接电流反馈型运算放大器U4同向输入端，所述电流反馈型运算放大器U4的输出与NFAD阳极相连。本发明专利技术探测器及其控制方法的淬灭电路传输延时非常短，淬灭信号幅度高且增益可调，并且死时间精确可控，可以适应不同的应用场景。可以适应不同的应用场景。可以适应不同的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种主动淬灭自由运行探测器


[0001]本专利技术涉及光电探测
，涉及一种大幅度低时延的主动淬灭自由运行探测器及方法，可应用于雷达探测、弱光检测、量子信息等领域。

技术介绍

[0002]基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器具有体积小、性能高、成本低等众多优势，使其成为近红外单光子探测的最佳选择，在光子计数、激光测距、远距离单光子三维成像、量子信息等领域得到了广泛应用。
[0003]InGaAs/InP APD工作在击穿电压以上时，进入盖革模式，该工作模式下APD具有高达105～106的增益，具备单光子探测的灵敏度，但由于存在自维持的雪崩放大，所以需要外部淬灭电路及时把工作电压调整到击穿电压以下，停止雪崩，否则不断放大的雪崩电流可能导致器件热烧毁。目前淬灭电路主要有三种：门控淬灭、被动淬灭以及主动淬灭。
[0004]门控淬灭电路下，器件只在门脉冲信号到来的短时间内处于盖革模式，门脉冲信号外器件处于线性模式，不会发生雪崩，因此器件处于高电场情况下的时间较短，通过控制门脉冲的参数，可获得高探测效率、低暗计数率、低后脉冲效应的单光子探测器。但是采用门控模式淬灭电路的探测器只能工作在光子到达时间已知的条件下，在激光测距、时间相关计数、激光雷达成像等光子到达时间未知的应用中，器件需要工作在自由运行模式下才能有效地探测。
[0005]自由运行探测器的APD常处于盖革模式，因此自由运行探测器可以随时探测光子并输出脉冲。被动淬灭是将APD与一个大的抑制电阻串联，当单光子探测器发生雪崩时，雪崩电流通过抑制电阻分压使APD两端的电压降至击穿电压以下，淬灭雪崩。可见被动淬灭电路利用了APD自身的雪崩电流，完成了雪崩循环过程，对于淬灭时间，由APD自身放电决定，时间常数在ns量级；但对于恢复时间，由于为了减小淬灭所需的电流，加快淬灭速度，抑制电阻取值比较大，通常在百kΩ量级，因此其时间常数在us量级，导致计数率低，严重限制了单光子探测器的工作速度。
[0006]主动淬灭通过外围电路实现，且可以与主动恢复一起实现，其电路的设计思路是不利用雪崩电流自身产生压降来进行自淬灭，而是利用快速甄别器检测雪崩信号，并通过反馈回路输出一个电压脉冲使APD两端的电压迅速降至击穿电压以下，达到主动淬灭雪崩的作用；该电压脉冲维持一段时间(这段时间可以称为Dead Time，或者特别称之为Hold
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off Time，通常统一译作“死时间”)后，反馈回路使APD两端的电压重新提高至之前较高的偏置电压，达到主动恢复APD的作用。由此，主动淬灭电路可以有效提高自由模式单光子探测器的计数率。
[0007]随着美国Princeton Lightwave、意大利米兰理工大学等机构成功研制出负反馈雪崩光电二极管(NFAD)，将大阻值的猝灭电阻与APD集成在同一芯片上，自由运行探测器被推向实用化
[0008]雪崩过程淬灭之后，APD器件内大量的自由电子和空穴相互复合，但仍有少数自由
电子能够存活到APD器件恢复盖革模式，这些存活的自由电子有一定的概率会再次引发雪崩，形成后脉冲计数，后脉冲概率的大小是衡量单光子探测器性能的重要指标之一，减轻后脉冲效应的根本方法是降低雪崩过程的电荷量。对于InGaAs/InP APD，由于后脉冲效应严重，当计数率较高时，后脉冲可以导致比暗计数更多的误计数，且随时间推移呈指数衰减而非平均分布，所以在很多实际应用中后脉冲率比暗计数更受关注。
[0009]由于自由运行单光子探测器后脉冲效应严重，因此常采用主动淬灭主动恢复技术，以降低后脉冲率概率。主动淬灭电路通过快速降低盖革模式下的APD的两端偏压实现雪崩淬灭，其性能取决于偏压控制速度，对电路要求较高，为了达到较高性能，要求主动淬灭电路可以输出幅度足够大的淬灭信号，使APD迅速退出盖革模式；同时要求淬灭电路的传输延时必须足够短，以减小APD处于盖格模式的时间，降低雪崩过程中载流子的总数目，从而降低后脉冲率；此外考虑在不同应用场合中需要对探测器性能做合理的优化，因此要求淬灭电路的死时间长度在较大范围内可调，以适应不同的应用场景。但目前缺乏一种大幅度、低时延、可满足不同场景应用需求的主动淬灭自由运行探测器。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题是实现一种大幅度、低时延的主动淬灭自由运行探测器，以提升淬灭信号幅度、缩短雪崩信号提取到偏压控制电路之间的延时，提高主动淬灭电路性能，解决现有的自由运行单光子探测器后脉冲率较高问题，同时淬灭电路死时间长度可调，提高自由运行探测器应用的灵活性。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种主动淬灭自由运行探测器，可调偏置电路输出可调偏压通过限流滤波电路与APD阴极相连，所述APD阴极连接高速比较器U1，所述高速比较器U1连接D触发器U2，所述D触发器U2连接或逻辑芯片U3和逻辑控制器U5，所述逻辑控制器U5连接或逻辑芯片U3，所述或逻辑芯片U3连接电流反馈型运算放大器U4同向输入端，所述电流反馈型运算放大器U4的输出与NFAD阳极相连。
[0012]所述可调偏置电路输出不同的偏压可实现不同效率的探测，所述NFAD由APD和淬灭电阻构成，所述淬灭电阻集成在APD阳极。
[0013]所述APD阴极通过电容与高速比较器U1的反向输入端VN相连，所述高速比较器U1的同向输入端VP与可调阈值电压相连，所述高速比较器U1的输出Q与D触发器U2的时钟输入CLK相连，所述高速比较器U1通过输入端VP获取的可调阈值电压实现雪崩信号的甄别。
[0014]所述D触发器U2的数据输入端Data以及复位端Reset均与逻辑控制器U5相连，所述D触发器U2的输出Q与逻辑控制器U5和或逻辑芯片U3的第一路输入IN1相连，所述D触发器U2受逻辑控制器U5直接控制，所述逻辑控制器U5为CPLD控制器
[0015]所述或逻辑芯片U3的第二路输入IN2与逻辑控制器U5相连，所述或逻辑芯片U3的输出Q与电流反馈型运算放大器U4同向输入端相连，所述电流反馈型运算放大器U4的输出与NFAD阳极相连。
[0016]根据所述的主动淬灭自由运行探测器，所述APD的阴极以交流耦合的方式引出雪崩信号至高速比较器U1，所述高速比较器U1通过可调阈值电压VP：
[0017]使没有发生雪崩时，VN＞VP，比较器输出低电平；
[0018]使发生雪崩时，VN＜VP，比较器输出高电平；
[0019]发生雪崩时，负向雪崩脉冲信号输入至高速比较器U1的反向输入端，雪崩信号被甄别提取且翻转输出。
[0020]所述逻辑控制器U5控制D触发器U2的数据输入端以及复位端，在未接收到雪崩的探测输出信号时，控制数据输入端常高、复位端常低；在接收到探测输出信号后延时Δt，控制数据输入端拉低，拉低维持时间为死时间长度，并将复位端拉高。
[0021]当雪崩信号被高速比较器U1甄别输出后，D触发器U2的时钟输入端采样数据输入端电平状态，输出状态由低变高，逻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：可调偏置电路输出可调偏压通过限流滤波电路与APD阴极相连，所述APD阴极连接高速比较器U1，所述高速比较器U1连接D触发器U2，所述D触发器U2连接或逻辑芯片U3和逻辑控制器U5，所述逻辑控制器U5连接或逻辑芯片U3，所述或逻辑芯片U3连接电流反馈型运算放大器U4同向输入端，所述电流反馈型运算放大器U4的输出与NFAD阳极相连。2.根据权利要求1所述的主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：所述可调偏置电路输出不同的偏压可实现不同效率的探测，所述NFAD由APD和淬灭电阻构成，所述淬灭电阻集成在APD阳极。3.根据权利要求1所述的主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：所述APD阴极通过电容与高速比较器U1的反向输入端VN相连，所述高速比较器U1的同向输入端VP与可调阈值电压相连，所述高速比较器U1的输出Q与D触发器U2的时钟输入CLK相连，所述高速比较器U1通过输入端VP获取的可调阈值电压实现雪崩信号的甄别。4.根据权利要求3所述的主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：所述D触发器U2的数据输入端Data以及复位端Reset均与逻辑控制器U5相连，所述D触发器U2的输出Q与逻辑控制器U5和或逻辑芯片U3的第一路输入IN1相连，所述D触发器U2受逻辑控制器U5直接控制，所述逻辑控制器U5为CPLD控制器。5.根据权利要求4所述的主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：所述或逻辑芯片U3的第二路输入IN2与逻辑控制器U5相连，所述或逻辑芯片U3的输出Q与电流反馈型运算放大器U4同向输入端相连，所述电流反馈型运算放大器U4的输出与NFAD阳极相连。6.根据权利要求1
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5中任一所述的主动淬灭自由运行探测器，其特征在于：所述APD的阴极以交流耦合的方式引出雪崩信号至高速比较器U1，所述高速比较器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝慧，徐焕银，朱文正，韩竞宇，王剑，丁淑琴，袁月，徐修成，朱丹，黄敦锋，曹德良，秦勇，夏敏，刘云，凌杰，
申请(专利权)人：安徽问天量子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：