本發(fā)明涉及一種用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路及其工作方法，屬于微弱光探測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

單光子探測(cè)器用于探測(cè)單光子量級(jí)的微弱光信號(hào)，其核心是光電探測(cè)器件。常見的單光子探測(cè)器有光電倍增管(PMT)、雪崩光電二極管(APD)等。APD由于工作速度高、體積小巧而被廣泛應(yīng)用。

APD工作于偏壓高于擊穿電壓的蓋革模式下，其產(chǎn)生的雪崩電流需要及時(shí)猝滅，所需的電路稱為猝滅電路。常見的猝滅電路分為被動(dòng)猝滅電路和主動(dòng)猝滅電路，分類的依據(jù)是APD偏壓的控制方式。被動(dòng)猝滅電路利用串聯(lián)在APD上的一個(gè)較大的電阻，在雪崩發(fā)生時(shí)產(chǎn)生較大的壓降，使APD兩端電壓差降低，從而實(shí)現(xiàn)猝滅。主動(dòng)猝滅電路在檢測(cè)到雪崩發(fā)生后，通過偏壓控制電路主動(dòng)降低APD兩端的電壓差實(shí)現(xiàn)猝滅。

實(shí)際應(yīng)用中，單光子探測(cè)器通常有門控模式和自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式兩種工作模式。門控模式下的單光子探測(cè)器在偏壓高于擊穿電壓(即門開)時(shí)可以探測(cè)單光子，偏壓低于擊穿電壓(即門關(guān))時(shí)無法探測(cè)單光子。自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式的單光子探測(cè)器通常處于偏壓高于擊穿電壓的狀態(tài)等待光子到來，探測(cè)到光子時(shí)雪崩發(fā)生，繼而猝滅，經(jīng)過一段時(shí)間(即死時(shí)間)后恢復(fù)至探測(cè)狀態(tài)。門控模式和自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式的單光子探測(cè)器均需要結(jié)合一種主動(dòng)或被動(dòng)猝滅電路實(shí)現(xiàn)雪崩的猝滅；有一種情況例外：當(dāng)門寬足夠窄時(shí)，門控信號(hào)自身即可實(shí)現(xiàn)雪崩猝滅，該類電路通常稱為門控猝滅電路。在量子通信領(lǐng)域，門控模式較常用，因?yàn)楣庾拥絹頃r(shí)間是已知的，可以僅在光子可能到來的時(shí)刻開一個(gè)窄門，實(shí)現(xiàn)較高的信噪比。在激光雷達(dá)等領(lǐng)域，光子到來時(shí)間是未知的，自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式的單光子探測(cè)器更符合實(shí)際應(yīng)用需求。

由于APD相對(duì)嚴(yán)重的后脈沖效應(yīng)，自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的單光子探測(cè)器信噪比通常較差。猝滅電路對(duì)后脈沖效應(yīng)的抑制起至關(guān)重要的作用。較快的猝滅速度可以減小雪崩的幅度和時(shí)長(zhǎng)，從而降低后脈沖發(fā)生的概率。被動(dòng)猝滅電路的猝滅速度主要取決于猝滅電阻的大小、APD結(jié)電容的大小以及寄生電容、電感的大小。被動(dòng)猝滅電路中的寄生電容、電感通常較大，猝滅速度較慢，加之猝滅電阻通常很大，猝滅后恢復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)，綜合性能較差。主動(dòng)猝滅電路的猝滅速度主要取決于從雪崩提取到降低偏壓的延時(shí)。目前主流的主動(dòng)猝滅電路為Si基分立電路或集成電路，包括比較器、觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)級(jí)等多個(gè)電路部分，延時(shí)較大，猝滅速度較慢，后脈沖概率較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路。

本發(fā)明還提供一種上述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法。

術(shù)語說明：

APD：雪崩光電二極管。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，包括高速比較器U2、高速比較器U4、高電子遷移率晶體管Q1、開門脈沖發(fā)生器、關(guān)門脈沖發(fā)生器和APD電容平衡電路；APD電容平衡電路包括APD和電容；

APD的陰極通過電阻與可調(diào)偏置電壓源連接；APD的陰極與高速比較器U2的同相輸入端連接；高速比較器U2的反相輸出端與高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端連接；高速比較器U2的反相輸入端連接有鑒別電平；其中，高速比較器U2的反相輸入端VN端口與VTN端口內(nèi)部通過50歐姆電阻連接，相當(dāng)于同一端口。

高速比較器U2的同相輸出端與高電子遷移率晶體管Q1的輸入端連接；高電子遷移率晶體管Q1的輸出端與APD的陽極連接；APD的陽極通過電容與高速比較器U2的反相輸入端連接；

開門脈沖發(fā)生器的輸出端與高速比較器U2的鎖存控制同相輸入端連接；

關(guān)門脈沖發(fā)生器的輸出端通過耦合電容與高速比較器U2的反相輸入端連接；

高速比較器U2的反相輸出端和鎖存控制反相輸入端與高速比較器U4的反相輸入端連接，高速比較器U4的一對(duì)差分輸出與D觸發(fā)器的差分時(shí)鐘輸入端反相連接；門控信號(hào)與D觸發(fā)器U5的異步復(fù)位端反相連接；D觸發(fā)器U5的數(shù)據(jù)輸入端連接固定高電平。高速比較器U2的反相輸出端和鎖存控制反相輸入端與高速比較器U4的反相輸入端連接，用于以較高的靈敏度實(shí)現(xiàn)單端到差分電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選的，高速比較器U2、高速比較器U4為SiGe異質(zhì)結(jié)比較器集成電路；高電子遷移率晶體管Q1為GaAs高電子遷移率晶體管。SiGe異質(zhì)結(jié)比較器集成電路即HBT；GaAs高電子遷移率晶體管Q1即HEMT。

一種上述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，包括實(shí)現(xiàn)猝滅功能的步驟如下：

APD產(chǎn)生的負(fù)向雪崩脈沖低于鑒別電平時(shí)，負(fù)向雪崩脈沖被高速比較器U2鑒別，高速比較器U2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，經(jīng)高電子遷移率晶體管Q1反相放大，APD陽極的電位升高，APD兩端電壓降低，完成雪崩猝滅；同時(shí)，高速比較器U2的輸出狀態(tài)被鎖存，保持猝滅狀態(tài)；

優(yōu)選的，所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，還包括實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能的步驟如下：

雪崩猝滅后，進(jìn)入猝滅狀態(tài)保持時(shí)間，恢復(fù)信號(hào)通過開門脈沖發(fā)生器形成正向窄脈沖，高速比較器U2的鎖存控制同相輸入端的電位暫高于高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端的電位，高速比較器U2鎖存功能處于無效狀態(tài)；此時(shí)高速比較器U2的同相輸入端不存在雪崩脈沖，高速比較器U2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，高速比較器U2的同相輸出端為高電平，經(jīng)高電子遷移率晶體管Q1反相放大，APD陽極的電位降低，APD兩端電壓升高，APD恢復(fù)單光子探測(cè)狀態(tài)；同時(shí)，高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端電平降低，鎖存功能繼續(xù)處于無效狀態(tài)；APD陽極電位降低時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)被APD和電容抵消，比較器輸出不翻轉(zhuǎn)；猝滅狀態(tài)保持時(shí)間即“死時(shí)間”；當(dāng)高速比較器U2的鎖存功能繼續(xù)處于無效狀態(tài)，隨時(shí)可以鑒別雪崩脈沖。

優(yōu)選的，所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，還包括實(shí)現(xiàn)開門和關(guān)門功能的步驟：

門控信號(hào)上沿為關(guān)門信號(hào)，關(guān)門信號(hào)使關(guān)門脈沖發(fā)生器產(chǎn)生關(guān)門脈沖信號(hào)；關(guān)門脈沖信號(hào)通過耦合電容進(jìn)入高速比較器U2的反相輸入端，電路進(jìn)入猝滅過程，此后探測(cè)器無法鑒別雪崩脈沖，實(shí)現(xiàn)關(guān)門功能；門控信號(hào)下沿為開門信號(hào)，開門功能的實(shí)現(xiàn)過程與恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)過程相同；

優(yōu)選的，所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，還包括雪崩信號(hào)輸出的步驟：

當(dāng)處于開門狀態(tài)或恢復(fù)信號(hào)存在時(shí)，D觸發(fā)器U3正常接受高速比較器U4發(fā)出的雪崩脈沖，在雪崩脈沖上沿時(shí)輸出高電平；當(dāng)處于關(guān)門狀態(tài)或猝滅信號(hào)存在時(shí)，D觸發(fā)器U3被異步復(fù)位，輸出低電平。

進(jìn)一步優(yōu)選的，控制信號(hào)由FPGA發(fā)出；控制信號(hào)包括，恢復(fù)信號(hào)和門控信號(hào)；當(dāng)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生恢復(fù)信號(hào)，F(xiàn)PGA自猝滅時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過設(shè)定的死時(shí)間后，F(xiàn)PGA發(fā)出恢復(fù)信號(hào)；當(dāng)處于門控模式，F(xiàn)PGA產(chǎn)生門控信號(hào)，產(chǎn)生門控信號(hào)下沿時(shí)，實(shí)現(xiàn)開門功能，如果開門期間雪崩發(fā)生，則電路進(jìn)入猝滅過程，如果開門期間無雪崩發(fā)生，則到達(dá)設(shè)定門寬時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生門控信號(hào)上沿，實(shí)現(xiàn)關(guān)門功能；恢復(fù)信號(hào)相當(dāng)于門控模式下的開門信號(hào)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1.本發(fā)明所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，利用SiGe異質(zhì)結(jié)(HBT)比較器集成電路和GaAs高電子遷移率晶體管Q1(HEMT)，實(shí)現(xiàn)了超快的猝滅速度，可工作在門控模式和自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式；

2.本發(fā)明所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，僅采用兩個(gè)化合物半導(dǎo)體工藝的核心器件，充分利用了比較器的同相和反相鎖存輸入端，靈活地實(shí)現(xiàn)了猝滅和恢復(fù)狀態(tài)的保持，不需要額外的鎖存器，極大地減小了常規(guī)主動(dòng)猝滅電路的猝滅延時(shí)；

3.本發(fā)明所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，靈活利用了比較器的反相輸入端和同相鎖存輸入端，在僅一個(gè)高速比較器上實(shí)現(xiàn)了門控功能，實(shí)現(xiàn)了最小的電路復(fù)雜度和最少的延遲時(shí)間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明所述用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不限于此。

以下實(shí)施例中所使用的高速比較器型號(hào)均為ADCMP572、D觸發(fā)器的型號(hào)均為MC100EP51DT。

實(shí)施例1

如圖1-2所示。

一種用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，包括高速比較器U2、高速比較器U4、高電子遷移率晶體管Q1、開門脈沖發(fā)生器、關(guān)門脈沖發(fā)生器和APD電容平衡電路；APD電容平衡電路包括APD D1和電容C4；

APD D1的陰極通過電阻R2與可調(diào)偏置電壓源連接；APD D1的陰極與高速比較器U2的同相輸入端VP連接；高速比較器U2的反相輸出端與高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端連接；高速比較器U2的反相輸入端連接有鑒別電平；其中，高速比較器U2的反相輸入端VN端口與VTN端口內(nèi)部通過50歐姆電阻連接，相當(dāng)于同一端口。

高速比較器U2的同相輸出端與高電子遷移率晶體管的輸入端連接；高電子遷移率晶體管的輸出端與APD D1的陽極連接；APD D1的陽極通過電容C4與高速比較器U2的反相輸入端連接；

開門脈沖發(fā)生器的輸出端與高速比較器U2的鎖存控制同相輸入端連接；

關(guān)門脈沖發(fā)生器的輸出端通過耦合電容C2與高速比較器U2的反相輸入端連接；

高速比較器U2的反相輸出端和鎖存控制反相輸入端與高速比較器U4的反相輸入端連接，高速比較器U4的一對(duì)差分輸出與D觸發(fā)器的差分時(shí)鐘輸入端反相連接；門控信號(hào)與D觸發(fā)器U5的異步復(fù)位端反相連接；D觸發(fā)器U5的數(shù)據(jù)輸入端連接固定高電平。高速比較器U2的反相輸出端和鎖存控制反相輸入端與高速比較器U4的反相輸入端連接，用于以較高的靈敏度實(shí)現(xiàn)單端到差分電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

實(shí)施例2

如實(shí)施例1所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路，所不同的是，高速比較器U2、高速比較器U4為SiGe異質(zhì)結(jié)比較器集成電路；高電子遷移率晶體管Q1為GaAs高電子遷移率晶體管。SiGe異質(zhì)結(jié)比較器集成電路即HBT；GaAs高電子遷移率晶體管Q1即HEMT。

實(shí)施例3

一種如實(shí)施例1-2所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，包括實(shí)現(xiàn)猝滅功能的步驟如下：

APD D1產(chǎn)生的負(fù)向雪崩脈沖低于鑒別電平時(shí)，負(fù)向雪崩脈沖被高速比較器U2鑒別，高速比較器U2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，經(jīng)高電子遷移率晶體管Q1反相放大，APD D1陽極的電位升高，APD D1兩端電壓降低，完成雪崩猝滅；同時(shí)，高速比較器U2的輸出狀態(tài)被鎖存，保持猝滅狀態(tài)；

實(shí)施例4

如實(shí)施例3所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，所不同的是，還包括實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能的步驟：雪崩猝滅后，進(jìn)入猝滅狀態(tài)保持時(shí)間，恢復(fù)信號(hào)通過開門脈沖發(fā)生器形成正向窄脈沖，高速比較器U2的鎖存控制同相輸入端的電位暫高于高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端的電位，高速比較器U2鎖存功能處于無效狀態(tài)；此時(shí)高速比較器U2的同相輸入端不存在雪崩脈沖，高速比較器U2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，高速比較器U2的同相輸出端為高電平，經(jīng)高電子遷移率晶體管Q1反相放大，APD D1陽極的電位降低，APD D1兩端電壓升高，APD D1恢復(fù)單光子探測(cè)狀態(tài)；同時(shí)，高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端電平降低，鎖存功能繼續(xù)處于無效狀態(tài)；APD D1陽極電位降低時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)被APD D1和電容C4抵消，比較器輸出不翻轉(zhuǎn)；猝滅狀態(tài)保持時(shí)間即“死時(shí)間”；當(dāng)高速比較器U2的鎖存功能繼續(xù)處于無效狀態(tài)，隨時(shí)可以鑒別雪崩脈沖。

實(shí)施例5

如實(shí)施例3所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，所不同的是，還包括實(shí)現(xiàn)開門和關(guān)門功能的步驟：

門控信號(hào)上沿為關(guān)門信號(hào)，關(guān)門信號(hào)使關(guān)門脈沖發(fā)生器產(chǎn)生關(guān)門脈沖信號(hào)；關(guān)門脈沖信號(hào)通過耦合電容進(jìn)入高速比較器U2的反相輸入端，電路進(jìn)入猝滅過程，此后探測(cè)器無法鑒別雪崩脈沖，實(shí)現(xiàn)關(guān)門功能；門控信號(hào)下沿為開門信號(hào)，開門信號(hào)通過開門脈沖發(fā)生器形成開門脈沖信號(hào)，高速比較器U2的鎖存控制同相輸入端的電位暫高于高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端的電位，高速比較器U2鎖存功能處于無效狀態(tài)；此時(shí)高速比較器U2的同相輸入端不存在雪崩脈沖，高速比較器U2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，高速比較器U2的同相輸出端為高電平，經(jīng)高電子遷移率晶體管Q1反相放大，APD D1陽極的電位降低，APD D1兩端電壓升高，APD D1恢復(fù)單光子探測(cè)狀態(tài)；同時(shí)，高速比較器U2的鎖存控制反相輸入端電平降低，鎖存功能繼續(xù)處于無效狀態(tài)；APD D1陽極電位降低時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)被APD D1和電容C4抵消，比較器輸出不翻轉(zhuǎn)；

實(shí)施例6

如實(shí)施例3所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，所不同的是，還包括雪崩信號(hào)的輸出的步驟：

當(dāng)處于開門狀態(tài)或恢復(fù)信號(hào)存在時(shí)，D觸發(fā)器U3正常接受高速比較器U4發(fā)出的雪崩脈沖，在雪崩脈沖上沿時(shí)輸出高電平；當(dāng)處于關(guān)門狀態(tài)或猝滅信號(hào)存在時(shí)，D觸發(fā)器U3被異步復(fù)位，輸出低電平。

實(shí)施例7

如實(shí)施例4或5所述的用于單光子探測(cè)器的主動(dòng)猝滅電路的工作方法，所不同的是，控制信號(hào)由FPGA發(fā)出；控制信號(hào)包括，恢復(fù)信號(hào)和門控信號(hào)；當(dāng)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生恢復(fù)信號(hào)，F(xiàn)PGA自猝滅時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過設(shè)定的死時(shí)間后，F(xiàn)PGA發(fā)出恢復(fù)信號(hào)；當(dāng)處于門控模式，F(xiàn)PGA產(chǎn)生門控信號(hào)，產(chǎn)生門控信號(hào)下沿時(shí)，實(shí)現(xiàn)開門功能，如果開門期間雪崩發(fā)生，則電路進(jìn)入猝滅過程，如果開門期間無雪崩發(fā)生，則到達(dá)設(shè)定門寬時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生門控信號(hào)上沿，實(shí)現(xiàn)關(guān)門功能。