一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法。该用于单光子探测器的主动猝灭电路，包括两个高速比较器、高电子迁移率晶体管(HEMT)、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器、APD电容平衡电路；本发明专利技术所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，利用SiGe异质结(HBT)比较器集成电路和GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)，实现了超快的猝灭速度，可工作在门控模式和自由运转模式。

Active quenching circuit for single photon detector and method for operating the same

The invention relates to an active quenching circuit for a single photon detector and a method of operating the same. The active quenching circuit for single photon detector, including two high speed comparator, high electron mobility transistor (HEMT), the door closed pulse generator, pulse capacitor balance circuit of generator, APD; the invention is used for active quenching circuit of single photon detector, using SiGe heterojunction (HBT) comparator integrated circuit and GaAs electron mobility transistor (HEMT), the speed of quenching fast, can work in the gated mode and free mode of operation.

【技术实现步骤摘要】
一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法
本专利技术涉及一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法，属于微弱光探测的

技术介绍
单光子探测器用于探测单光子量级的微弱光信号，其核心是光电探测器件。常见的单光子探测器有光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)等。APD由于工作速度高、体积小巧而被广泛应用。APD工作于偏压高于击穿电压的盖革模式下，其产生的雪崩电流需要及时猝灭，所需的电路称为猝灭电路。常见的猝灭电路分为被动猝灭电路和主动猝灭电路，分类的依据是APD偏压的控制方式。被动猝灭电路利用串联在APD上的一个较大的电阻，在雪崩发生时产生较大的压降，使APD两端电压差降低，从而实现猝灭。主动猝灭电路在检测到雪崩发生后，通过偏压控制电路主动降低APD两端的电压差实现猝灭。实际应用中，单光子探测器通常有门控模式和自由运转模式两种工作模式。门控模式下的单光子探测器在偏压高于击穿电压(即门开)时可以探测单光子，偏压低于击穿电压(即门关)时无法探测单光子。自由运转模式的单光子探测器通常处于偏压高于击穿电压的状态等待光子到来，探测到光子时雪崩发生，继而猝灭，经过一段时间(即死时间)后恢复至探测状态。门控模式和自由运转模式的单光子探测器均需要结合一种主动或被动猝灭电路实现雪崩的猝灭；有一种情况例外：当门宽足够窄时，门控信号自身即可实现雪崩猝灭，该类电路通常称为门控猝灭电路。在量子通信领域，门控模式较常用，因为光子到来时间是已知的，可以仅在光子可能到来的时刻开一个窄门，实现较高的信噪比。在激光雷达等领域，光子到来时间是未知的，自由运转模式的单光子探测器更符合实际应用需求。由于APD相对严重的后脉冲效应，自由运转模式下的单光子探测器信噪比通常较差。猝灭电路对后脉冲效应的抑制起至关重要的作用。较快的猝灭速度可以减小雪崩的幅度和时长，从而降低后脉冲发生的概率。被动猝灭电路的猝灭速度主要取决于猝灭电阻的大小、APD结电容的大小以及寄生电容、电感的大小。被动猝灭电路中的寄生电容、电感通常较大，猝灭速度较慢，加之猝灭电阻通常很大，猝灭后恢复所需时间较长，综合性能较差。主动猝灭电路的猝灭速度主要取决于从雪崩提取到降低偏压的延时。目前主流的主动猝灭电路为Si基分立电路或集成电路，包括比较器、触发器、驱动级等多个电路部分，延时较大，猝灭速度较慢，后脉冲概率较大。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种用于单光子探测器的主动猝灭电路。本专利技术还提供一种上述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法。术语说明：APD：雪崩光电二极管。本专利技术的技术方案如下：一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD和电容；APD的阴极通过电阻与可调偏置电压源连接；APD的阴极与高速比较器U2的同相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；其中，高速比较器U2的反相输入端VN端口与VTN端口内部通过50欧姆电阻连接，相当于同一端口。高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管Q1的输入端连接；高电子迁移率晶体管Q1的输出端与APD的阳极连接；APD的阳极通过电容与高速比较器U2的反相输入端连接；开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容与高速比较器U2的反相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U5的异步复位端反相连接；D触发器U5的数据输入端连接固定高电平。高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，用于以较高的灵敏度实现单端到差分电平信号的转换。优选的，高速比较器U2、高速比较器U4为SiGe异质结比较器集成电路；高电子迁移率晶体管Q1为GaAs高电子迁移率晶体管。SiGe异质结比较器集成电路即HBT；GaAs高电子迁移率晶体管Q1即HEMT。一种上述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，包括实现猝灭功能的步骤如下：APD产生的负向雪崩脉冲低于鉴别电平时，负向雪崩脉冲被高速比较器U2鉴别，高速比较器U2的输出电平翻转，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位升高，APD两端电压降低，完成雪崩猝灭；同时，高速比较器U2的输出状态被锁存，保持猝灭状态；优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括实现恢复功能的步骤如下：雪崩猝灭后，进入猝灭状态保持时间，恢复信号通过开门脉冲发生器形成正向窄脉冲，高速比较器U2的锁存控制同相输入端的电位暂高于高速比较器U2的锁存控制反相输入端的电位，高速比较器U2锁存功能处于无效状态；此时高速比较器U2的同相输入端不存在雪崩脉冲，高速比较器U2的输出电平翻转，高速比较器U2的同相输出端为高电平，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位降低，APD两端电压升高，APD恢复单光子探测状态；同时，高速比较器U2的锁存控制反相输入端电平降低，锁存功能继续处于无效状态；APD阳极电位降低时产生的瞬态响应被APD和电容抵消，比较器输出不翻转；猝灭状态保持时间即“死时间”；当高速比较器U2的锁存功能继续处于无效状态，随时可以鉴别雪崩脉冲。优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括实现开门和关门功能的步骤：门控信号上沿为关门信号，关门信号使关门脉冲发生器产生关门脉冲信号；关门脉冲信号通过耦合电容进入高速比较器U2的反相输入端，电路进入猝灭过程，此后探测器无法鉴别雪崩脉冲，实现关门功能；门控信号下沿为开门信号，开门功能的实现过程与恢复功能的实现过程相同；优选的，所述用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，还包括雪崩信号输出的步骤：当处于开门状态或恢复信号存在时，D触发器U3正常接受高速比较器U4发出的雪崩脉冲，在雪崩脉冲上沿时输出高电平；当处于关门状态或猝灭信号存在时，D触发器U3被异步复位，输出低电平。进一步优选的，控制信号由FPGA发出；控制信号包括，恢复信号和门控信号；当处于自由运转模式时，FPGA产生恢复信号，FPGA自猝灭时刻开始计时，经过设定的死时间后，FPGA发出恢复信号；当处于门控模式，FPGA产生门控信号，产生门控信号下沿时，实现开门功能，如果开门期间雪崩发生，则电路进入猝灭过程，如果开门期间无雪崩发生，则到达设定门宽时，FPGA产生门控信号上沿，实现关门功能；恢复信号相当于门控模式下的开门信号。本专利技术的优点是：1.本专利技术所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，利用SiGe异质结(HBT)比较器集成电路和GaAs高电子迁移率晶体管Q1(HEMT)，实现了超快的猝灭速度，可工作在门控模式和自由运转模式；2.本专利技术所述用于单光子探测器的主动猝灭电路，仅采用两个化合物半导体工艺的核心器件，充分利用了比较器的同相和反相锁存输入端，灵活地实现了猝灭和恢复状态的保持，不需要额外的锁存器，极大地减小了常规主动猝灭电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，其特征在于，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD和电容；APD的阴极通过电阻与可调偏置电压源连接；APD的阴极与高速比较器U2的同相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管Q1的输入端连接；高电子迁移率晶体管Q1的输出端与APD的阳极连接；APD的阳极通过电容与高速比较器U2的反相输入端连接；开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容与高速比较器U2的反相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U5的异步复位端反相连接；D触发器U5的数据输入端连接固定高电平。

【技术特征摘要】
1.一种用于单光子探测器的主动猝灭电路，其特征在于，包括高速比较器U2、高速比较器U4、高电子迁移率晶体管Q1、开门脉冲发生器、关门脉冲发生器和APD电容平衡电路；APD电容平衡电路包括APD和电容；APD的阴极通过电阻与可调偏置电压源连接；APD的阴极与高速比较器U2的同相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端与高速比较器U2的锁存控制反相输入端连接；高速比较器U2的反相输入端连接有鉴别电平；高速比较器U2的同相输出端与高电子迁移率晶体管Q1的输入端连接；高电子迁移率晶体管Q1的输出端与APD的阳极连接；APD的阳极通过电容与高速比较器U2的反相输入端连接；开门脉冲发生器的输出端与高速比较器U2的锁存控制同相输入端连接；关门脉冲发生器的输出端通过耦合电容与高速比较器U2的反相输入端连接；高速比较器U2的反相输出端和锁存控制反相输入端与高速比较器U4的反相输入端连接，高速比较器U4的一对差分输出与D触发器的差分时钟输入端反相连接；门控信号与D触发器U5的异步复位端反相连接；D触发器U5的数据输入端连接固定高电平。2.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路，其特征在于，高速比较器U2、高速比较器U4为SiGe异质结比较器集成电路；高电子迁移率晶体管Q1为GaAs高电子迁移率晶体管。3.一种如权利要求2所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，包括实现猝灭功能的步骤：APD产生的负向雪崩脉冲低于鉴别电平时，负向雪崩脉冲被高速比较器U2鉴别，高速比较器U2的输出电平翻转，经高电子迁移率晶体管Q1反相放大，APD阳极的电位升高，APD两端电压降低，完成雪崩猝灭；同时，高速比较器U2的输出状态被锁存，保持猝灭状态。4.根据权利要求3所述的用于单光子探测器的主动猝灭电路的工作方法，其特征在于，还包括实现恢复功能的步骤如下：雪崩猝灭后，进入猝灭状态保持时间，恢复信号通过开门脉冲发生...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊良，李永富，张庭发，连洁，王莹，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37