一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法技术

本发明专利技术公开了一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法，该电路包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，直流偏置电压单元通过第一电阻R1与雪崩光电二极管APD的阴极相连；门控脉冲发生器通过第一电容C与雪崩光电二极管APD的阴极相连；雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，电平测量比较电路包括检测模块，判决模块，以及信号生成模块。本发明专利技术电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率；本发明专利技术方法具有雪崩信号甄别能力强，准确率较高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法
本专利技术涉及单光子探测
，特别的涉及一种APD单光子探测器电路及雪崩信号甄别方法。
技术介绍
单光子级别的光信号探测属于微弱光探测领域，在量子通信、激光测距、生物医学和光谱探测等多个领域有着重要的应用。目前能探测到单光子信号的器件主要有光电倍增管（PMT）和APP。PMT具有体积大，驱动电压高，增益低，不易集成等缺点，而APD正好具有与之相反的特性。因此，单光子探测器件核心器件主要采用APD。检测信号时，APD工作在盖革模式，其内部耗尽层产生一个很强大的电场，当有光子进入电场时，将产生电子空穴对，电荷在强电场的加速下撞击产生新的电荷空穴对，于是光生电子成倍增加，产生雪崩效应，APD就可以输出足以检测到的宏观电流。然而雪崩现象如果一直持续，将会产生越来越大的电流导致APD被击穿，另外雪崩过程如果不能尽快停止将无法进行下一次探测，从而影响探测效率。所以在探测到单光子后，需要使APD快速退出盖革模式，让雪崩现象尽快“淬灭”，并“重置”至盖革模式下，以便进行下一次探测。目前通常使用高速门控信号驱动APD进行快速“淬灭-重置”。然而由于APD自身结电容的存在，在门控脉冲的上升沿和下降沿会因微分效应而产生尖峰噪声电压。且尖峰噪声强度远大于因单光子触发的雪崩信号的强度，使得有效雪崩信号湮没其中无法提取。因此如果把雪崩信号从强大的噪声信号中提取出来是单光子探测器需要解决的关键问题。目前甄别雪崩信号的方法有自差分技术、正弦波技术和双APD平衡等。这些方法都存在一定的缺点：自差分电路调整重复频率非常不方便；高速正弦波电路复杂，需要额外的微波器件和高频信号发生器；双APD平衡法要求两只APD的属性必须高度相似，并且APD价格昂贵，故该方案性价比较低。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，实现成本较低，重复频率调整方便的APD单光子探测器电路，以及雪崩信号甄别能力强、准确率较高的APD单光子探测器雪崩信号甄别方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种APD单光子探测器电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，所述直流偏置电压单元通过第一电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述门控脉冲发生器通过第一电容C与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，所述电平测量比较电路包括用于检测高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块。采用上述电路，在门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压叠加门控脉冲电压大于雪崩光电二极管APD的击穿电压，雪崩光电二极管APD进入到盖革模式，探测“窗口”打开，可以对单光子进行检测，由于门控脉冲从上升沿到下降沿的过程中，APD的输出信号电压始终会过零一次，通过高速过零比较器对APD的输出信号进行过零比较，然后利用电平测量比较电路测量高速过零比较器输出的高电平的脉宽大小。当没有捕获到单光子时，APD只输出门控脉冲上升沿产生的尖峰噪声；而一旦捕获到单光子时，APD将发生雪崩效应，产生雪崩电流信号，由于雪崩电流信号产生时间始终晚于门控脉冲上升沿的起始时间，使得上升沿产生的尖峰噪声信号与雪崩信号叠加后的信号，经高速过零比较器比较后，所产生的高电平的脉宽始终大于上升沿的尖峰噪声单独所产生的高电平的脉宽。利用APD输出端高电平的这一特性，无需进行脉冲分离，即可判断是否捕捉到单光子。最后，在门控脉冲的下降沿，APD开始退出盖革模式，让雪崩现象尽快“淬灭”。APD在下一个脉冲的上升沿时“重置”至盖革模式，进行下一次检测。上述电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率。进一步的，所述门控脉冲发生器包括依次连接的锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。采用上述结构，需要调整门控脉冲的宽度时，可以通过改写程序调整锁相环占空比来实现，无需改变硬件电路设置，脉冲宽度调整灵活方便。一种采用如上所述的APD单光子探测器电路的雪崩信号甄别方法，其特征在于，包括如下步骤：A、将直流偏置电压单元的直流偏置电压和门控脉冲发生器的门控脉冲加载到所述雪崩光电二极管APD的阴极；B、当门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压和门控脉冲的峰值电压之和大于雪崩光电二极管APD的击穿电压，使雪崩光电二极管APD进入盖革模式；雪崩光电二极管APD输出的电流信号经第二电阻R2转换成电压信号送入高速过零比较器进行过零比较处理；C、高速过零比较器的处理结果送入电平测量比较电路后，通过检测模块检测输出的高电平的脉宽为T2，并将检测的脉宽T2送入判决模块中，与设定的脉宽T1相比较，并将比较结果送入信号生成模块中，若T2大于T1，则表示探测到单光子，信号生成模块产生“检测到单光子”的甄别结论信号并输出；否则，表示没有探测到单光子，信号生成模块产生“未检测到单光子”的甄别结论信号并输出。综上所述，本专利技术电路结构简单，无需对脉冲进行分离，有利于降低实现的成本，提高检测速度和效率；本专利技术方法具有雪崩信号甄别能力强，准确率较高等优点。附图说明图1为本专利技术的雪崩信号甄别方法的原理图。图2为APD雪崩信号甄别时序图。图3为APD单光子探测器电路的结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1~图3所示，其实，本专利技术APD单光子探测器电路的结构示意图如图3所示，直流偏置电压单元Vdc通过第一电阻R1与雪崩光电二极管APD的阴极相连，偏置电压大小略低于APD击穿电压；FPGA可编程门阵列电路内部的门控信号产生电路通过第一电容C与雪崩光电二极管APD的阴极相连；雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地，同时，雪崩光电二极管APD的阳极还连接有过零比较电路，过零比较电路的输出端连接到FPGA可编程门阵列电路内部的电平测量比较电路，电平测量比较电路包括用于检测雪崩光电二极管APD输出端的高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块；门控信号产生电路包括锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。采用上述电路，在门控脉冲进入上升沿时，直流偏置电压和门控脉冲电压之和大于雪崩光电二极管APD的击穿电压时，雪崩光电二极管APD进入到盖革模式，对单光子进行检测，由于门控脉冲从上升沿到下降沿的过程中，APD的输出端的电平始终会过零一次，通过高速过零比较器对APD的输出进行过零比较，然后通过电平测量比较电路的检测模块进行检测就可以得到APD输出高电平的脉宽大小。当没有捕获到单光子时，APD只输出门控脉冲上升沿产生的尖峰噪声；而一旦捕获到单光子时，APD将发生雪崩效应，产生雪崩电流信号，由于雪崩电流信号始终晚于门控脉冲上升沿的起始时间，使得上升沿的尖峰噪声与雪崩电流信号所叠加后产生的高电平的脉宽始终大于上升沿的尖峰噪声所产生的高电平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种APD单光子探测器电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，所述直流偏置电压单元通过第一电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述门控脉冲发生器通过第一电容C与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，所述电平测量比较电路包括用于检测高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块。

【技术特征摘要】
1.一种APD单光子探测器电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器以及雪崩光电二极管APD，所述直流偏置电压单元通过第一电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述门控脉冲发生器通过第一电容C与所述雪崩光电二极管APD的阴极相连；所述雪崩光电二极管APD的阳极通过第二电阻R2接地；其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的阳极还依次连接有高速过零比较器和电平测量比较电路，所述电平测量比较电路包括用于检测高电平的脉宽大小的检测模块，用于将检测的脉宽大小与设定脉宽进行比较的判决模块，以及根据所述判决模块的判决结果产生甄别结论信号的信号生成模块。2.如权利要求1所述的APD单光子探测器电路，其特征在于，所述门控脉冲发生器包括依次连接的锁相环和脉冲发生器，所述脉冲发生器的输出端连接至所述第一电容C。3.一种采用权利要求1所述的APD单光子探...

【专利技术属性】
技术研发人员：高家利，盘红霞，阎卫萍，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50