一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路制造技术

本发明专利技术公开了一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，属于弱光探测领域。本发明专利技术包括依次连接的信号发生器(00)、单光子雪崩二极管(10)、淬灭电路(20)和双阈值甄别电路(30)；淬灭电路(20)包括并联的被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)；当信号发生器(00)的光打入时，单光子雪崩二极管(10)的阳极产生雪崩信号，淬灭电路(20)分成三路，再通过双阈值甄别电路(30)实现雪崩信号的提取。本发明专利技术具有：

【技术实现步骤摘要】
一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路


[0001]本专利技术属于弱光探测领域，具体涉及一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路。

技术介绍

[0002]单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。在量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)系统中，单光子作为信息的载体在量子信道中传输，终端的单光子探测技术成为关键技术。单光子探测器(single photon detector,SPD)突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限，具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点，故成为关键核心设备，其性能指标直接制约了量子通信系统的性能，提升单光子探测器的性能始终处于重要地位。对单光子探测技术进行深入彻底的研究，研发高性能、高集成度的单光子探测器，对进一步推动量子通信实用化进程具有重大意义。单光子探测器可分为光电倍增管、单光子雪崩二极管和超导单光子探测器。其中，光电倍增管量子效率低下，超导单光子探测器实验环境苛刻，不适用于一般应用。单光子雪崩二极管凭借其探测效率高、稳定性强、体积小、成本低等优势，已经成为目前最主流的单光子探测器件。
[0003]单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)可以工作在线性模式或者盖革模式，在线性模式下，SPAD两端电压要低于雪崩击穿电压，当光打入SPAD的吸收层时，会产生光电流，该电流强度与输入光强成正比。在一些弱光探测领域中，光电流较小，很难提取，往往让单光子雪崩二极管工作在盖革模式，即SPAD两端电压要高于雪崩击穿电压，只要有单个光子进入SPAD的吸收层，通过电场的碰撞电离效应，源源不断地激发出载流子，产生雪崩效应，最终在阳极处输出宏观可观测的电流，经过电阻采样后可输出雪崩信号。但这种雪崩过程是自持性的，过大的电流容易损坏单光子雪崩二极管，需要在甄别出雪崩信号的同时迅速将雪崩过程淬灭，一方面能将雪崩抑制从而保护器件，另一方面可以有效地检测光子。目前淬灭方式主要分为三种：被动淬灭、主动淬灭、门控淬灭。对于一些已知光子到达时间的应用，需要用到门控淬灭，如量子通信、量子密钥分发(QKD)；对于光子到达时间未知的应用，需要用到被动和主动淬灭，如激光测距、激光雷达。被动淬灭更适合集成制备SPAD阵列，主动淬灭SPAD的计数率性能会更好。但每一种淬灭方式都有其特定的电路结构，一个SPAD往往固定一种淬灭方式，在特定的应用中使用，大大增加了探测器的制作成本，具有局限性。现有技术存在SPAD使用模式单一、兼容性差、集成度低等技术问题。
[0004]雪崩信号往往幅值较小，需要通过放大电路和甄别电路将其提取出来，传统的单光子探测系统使用的都是高速比较器，直接将放大后的雪崩信号转换成TTL信号，在很多实验环境中，放大器的屏蔽性做不了最佳，难免将干扰信号进行放大，从而将高幅值的干扰信号提取出来，形成误计数。现有技术存在精度低、误计数高、可靠性差等不足之处。
[0005]为了克服上述现有技术的缺陷以及应对科技快速发展的需求，亟需设计一种多模式的单光子雪崩二极管淬灭电路和高精度读出电路。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就在于克服现有技术存在的单光子探测器应用单一、兼容性差、噪声高、集成度低的技术问题，提供一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]本专利技术设计了一种多模式转换的淬灭电路，主要包括：单光子雪崩二极管，被动淬灭模块、主动淬灭模块、门控淬灭模块。
[0009]其中被动淬灭是自由运行单光子探测的基本方法，也是最简单的雪崩淬灭方式。被动淬灭有两种模式，一种是“电压模式”，一种是“电流模式”，区别就在于采样电阻与淬灭电阻在单光子雪崩二极管的同一边还是两边，本专利技术采用电流模式，通过单光子雪崩二极管串联大电阻实现淬灭。在单光子雪崩二极管的阴极串联一个大电阻实现雪崩淬灭，称为淬灭电阻；在阳极串联一个小电阻，称为采样电阻，通常为50Ω，作为采样电阻提取雪崩信号，通过按键进行控制该模式的运行。在“电流模式”中，单光子雪崩二极管阳极由于雪崩电流直接快速流过采样电阻，会使得雪崩前沿更快。由于SPAD是容性元件，内部含有结电容，每次产生雪崩效应后，电路通过淬灭电阻给电容充电，单光子雪崩二极管两端的偏压逐渐恢复至原始偏压来进行下一次探测。雪崩过程中，采样电阻上得到与雪崩电流形状相同的电压信号，易于甄别输出。
[0010]主动淬灭能够避免由于雪崩脉冲恢复缓慢而造成的缺陷，并充分开发单光子雪崩二极管的性能，其基本思路是电路在甄别到雪崩信号的前沿后，通过可控制的偏压源迅速将单光子雪崩二极管的偏压降低至雪崩击穿电压以下，并可以快速恢复，进行下一次探测。本专利技术是在单光子雪崩二极管的阳极连接一个比较器，当雪崩发生时，阳极电压上升，由比较器检测信号输出，之后连接一个反相放大器把探测信号反向放大，将该信号耦合至单光子雪崩二极管的阴极，使其偏压低于雪崩击穿电压，雪崩得以淬灭，同时在SPAD阴极串联一个按键来控制。经过一个精确控制的死时间后，偏压得以恢复，本专利技术中的死时间设置通过延时器来实现。该方法的优势在于快速的状态转换(从淬灭状态到可探测状态)，短暂的雪崩电流持续时间和可精确控制的死时间。
[0011]上述被动淬灭和主动淬灭主要使用在光子到达时间未知的应用，如激光测距、激光雷达。对于一些已知光子到达时间的应用，单光子探测器可以使用同步的门控模式，该模式能够简单有效地抑制探测器暗计数率和后脉冲概率。本专利技术在SPAD的阴极加入门控信号，该信号可以是正弦波或者方波。为了将该信号与SPAD的偏压信号耦合，需串联一个1uF的电容，电容后方连接一个按键进行控制。同时单光子雪崩二极管是一个容性器件，由于容性响应在SPAD的阳极会产生微分信号，并且雪崩信号会叠加在微分信号上。抑制微分信号以有效提取雪崩信号是门控模式下雪崩淬灭读出电路的关键。传统的方法主要是自差分和正弦滤波法，但电路结构过于复杂，器件精度过高，难以实现，本专利技术设计了一种新型读出电路，结构简单，易于实现。
[0012]该读出电路即双阈值甄别器，主要包括：上阈值甄别电路和下阈值甄别电路。上阈值甄别电路确定低电平设定值，主要由电压比较器、逻辑门、单稳态触发器组成，当雪崩产生时，雪崩信号幅值高于低电平设定值，电压比较器通过反相器提取到雪崩信号，使得单稳态触发器响应，输出暂稳态的高电平信号，送至与门，即第一个条件满足；下阈值甄别电路确定高电平设定值，主要由电压比较器、逻辑门、边沿型D触发器组成，当雪崩产生时，雪崩
信号幅值低于高电平设定值，电压比较器提取到信号，经逻辑门进行电平转换，最后由D触发器输出，送至与门，即第二个条件满足，最终输出高电平信号。在仿真中，D触发器使用74S74D芯片，上升沿触发，控制端和D端均接至VCC，复位端为输入端。单稳态触发器使用SN74121N芯片，下降沿触发，RINT、RTCT和CT端均接至VCC，A2为输入端。
[0013]具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：包括依次连接的信号发生器(00)、单光子雪崩二极管(10)、淬灭电路(20)和双阈值甄别电路(30)；淬灭电路(20)包括并联的被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)；当信号发生器(00)的光打入时，单光子雪崩二极管(10)的阳极产生雪崩信号，淬灭电路(20)分成被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)三路，再通过双阈值甄别电路(30)实现雪崩信号的提取。2.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的被动淬灭电路(21)包括第2电阻(R2)、第2开关(S2)和外部偏压电源(VCC)；其连接关系是：单光子雪崩二极管(10)的输出端、第2电阻(R2)、第2开关(S2)和外部偏压电源(VCC)依次连接，最后输出连接双阈值甄别电路(30)的输入端；通过大电阻进行分压，使得单光子雪崩二极管(10)两端的电压低于击穿电压，单光子雪崩二极管(10)停止工作，实现淬灭。3.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的主动淬灭电路(22)包括第4开关(S4)、第5开关(S5)、第6开关(S6)、第2电容(C2)、第4电阻(R4)、第5电阻(R5)、第6电阻(R6)、第7电阻(R7)、第1电压比较器(CV1)、反相放大器(OV1)；其连接方式是：单光子雪崩二极管(10)输出后连接第5开关(S5)，再连接到第1电压比较器(CV1)的正向输入端，其反向输入端由第4开关(S4)、第2电容(C2)、第4电阻(R4)依次连接；之后，第1电压比较器(CV1)的输出通过第5电阻(R5)连接到反相放大器(OV1)的反向输入端，其正向输入端由第6开关(S6)、第5电阻(R5)、第6电阻(R6)依次连接；最后反相放大器(OV1)的输出端连接到单光子雪崩二极管(10)的阳极，即第3电阻(R3)连接处；雪崩发生后，第5开关(S5)后的电平会升高，通过第1电压比较器(CV1)产生输出信号，再经过反相放大器(OV1)，信号被反向放大后耦合在单光子雪崩二极管(10)的阴极，即电路中第5电阻(R0)和第0电容(C0)的连接处；该信号使得单光子雪崩二极管(10)两端的偏压低于雪崩击穿电压，从而实现淬灭。4.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管...

【专利技术属性】
技术研发人员：石铭，张伟民，周冰玉，侯金，杨春勇，倪文军，龙浩，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：