一种自由运行单光子探测器及读出电路的制作方法

1.本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种自由运行单光子探测器阵列及读出电路。


背景技术：

2.光子是光的最小能量单位和信息载体，对光子的有效探测将达到量子极限灵敏度。单光子探测技术具有光子水平探测灵敏度和亚纳秒时间精度，在量子信息技术、生物荧光分析、医学成像、激光遥感等领域具有重要的应用。近红外波长单光子探测技术在科学研究、工程应用中具有重要的价值，如量子保密通信、人眼安全激光探测等，ingaas/inp盖革雪崩光电二极管(apd)是目前应用最广泛的近红外波长单光子探测技术，具有技术成熟度高、工作环境要求低等优势。单光子探测器阵列集成大量单光子探测器，在探测幅宽、成像效率、光子数分辨等方面具有极大优势，是单光子探测技术发展的趋势。目前单光子探测器阵列受器件性能、读出电路等因素限制，主要工作在门控模式，难以实现非合作目标探测和成像；此外，门控模式单光子探测器阵列帧频通常较低，白天工作条件下容易计数饱和，无法满足全天时应用条件。
3.为了实现单光子探测，施加在盖革apd两端的反向偏置电压高于其击穿电压，apd吸收光子后将以一定的概率产生光电子；光电子在外部电场加速下，与晶格碰撞发生雪崩倍增效应，迅速形成饱和雪崩电流，增益高达约106。盖革apd发生雪崩倍增后，需要对雪崩过程进行淬灭，并在雪崩倍增消失后才能进行下一次探测。盖革apd从发生雪崩倍增到雪崩消失的过程中无法进行单光子探测，该段时间为探测死时间。为了提高单光子探测性能，经常在外围电路上增加探测死时间。自由运行单光子探测在雪崩触发前一直处于探测状态，雪崩触发后经过死时间再次恢复探测状态。因此，自由运行单光子探测在雪崩触发前，可以响应任意时刻到达的光子，对非同步量子通信、非合作目标探测具有重要的意义。自由运行单光子探测的计数率主要取决于探测死时间，可以达到较高的计数率，实现全天时探测。
4.申请号为202110050014.4的发明专利《一种半导体制冷型spad单光子探测器》包括单片机模块、继电器模块、tec制冷模块、交互模块、数字温度传感器电路和探测模块、比较器模块、开关模块，所述交互模块包括显示屏电路与按键电路，所述数字温度传感器电路信号引脚与所述单片机模块数据接收引脚连接，所述单片机模块信号输出引脚和所述继电器模块输入端以及所述开关模块相连。实现自由运行单光子探测主要包括主动淬灭和被动淬灭两种方式。主动淬灭通过快速降低盖革apd两端的偏压实现雪崩淬灭，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，主动淬灭通常设计专用集成电路(asic)进行雪崩淬灭，其设计难度较大、周期较长。被动淬灭方式将盖革apd串联大阻值淬灭电阻，雪崩触发后，通过雪崩电流在淬灭电阻上分压实现雪崩淬灭，其结构简单。为了实现较高的性能，通常采用负反馈雪崩光电二极管(nfad)进行单光子探测；nfad采用单片集成工艺在apd旁边集成淬灭电阻，消除导线上的寄生参数，从而提高探测性能。由于ingaas/inp盖革apd材料性质，后脉冲事件是影响其单光子探测性能最大的因素，在自由运行模式下仅仅依
靠nfad自身淬灭的噪声较高。此外，由于nfad雪崩淬灭速度较快，雪崩增益较小，容易受外部噪声的干扰。现有技术存在单光子探测器阵列计数率低、噪声高、集成度低等技术问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何解决单光子探测器阵列计数率低、噪声高、集成度低的技术问题。
6.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种自由运行单光子探测器及读出电路包括：单光子探测阵列、不少于两个的雪崩读出甄别电路、低噪声直流偏置电路、死时间计时电路及不少于两个的偏压放大电路；
7.所述单光子探测阵列，包括不少于两个的负反馈雪崩光电二极管，多支所述负反馈雪崩光电二极管的尾纤密排为尾纤阵列，用以通过所述尾纤阵列接收光信号，以所述尾纤阵列将所述光信号耦合至所述负反馈雪崩光电二极管；
8.所述雪崩读出甄别电路通过电容与所述负反馈雪崩光电二极管的阴极连接，所述雪崩读出甄别电路的输出端连接所述偏压放大电路，所述偏压放大电路的输出端与所述负反馈雪崩光电二极管阳极连接，用以产生并利用雪崩读出信号驱动所述偏压放大电路中的场效应晶体管放大直流偏压，以控制所述负反馈雪崩光电二极管的阳极电平，据以主动淬灭所述光信号的雪崩过程；
9.所述死时间计时电路连接所述雪崩读出甄别电路的输出端，用以控制多路读出电路的死时间及所述自由运行单光子探测器状态的切换；
10.所述低噪声直流偏置电路，其通过高阻值电阻与每支所述负反馈雪崩光电二极管的阴极连接，用以提供高于所述负反馈雪崩光电二极管的击穿电压的反向直流偏置，以切换多路读出电路死时间控制状态及探测器状态。
11.本发明利用光纤密排和nfad实现了自由运行单光子探测器阵列，阵列规模和排布形式灵活，nfad之间独立工作，可以达到高饱和计数率，满足全天时应用条件；本发明的技术方案采用雪崩读出信号驱动场效应晶体管放大直流偏压，实现了nfad阳极电平的快速控制，可以主动淬灭雪崩过程，降低后脉冲概率，解决了现有技术中仅仅依靠nfad自身淬灭的噪声较高的问题。
12.在更具体的技术方案中，所述雪崩读出甄别电路的数目与所述单光子探测阵列相适配，所述雪崩读出甄别电路包括：低噪声放大器、高速比较器、d触发器和电平转换芯片，所述死时间计时电路，其输出端连接所述d触发器的异步复位端。
13.在更具体的技术方案中，所述自由运行单光子探测器及读出电路还包括温控电路，所述负反馈雪崩光电二极管包括气密封装集成热电制冷器、热敏电阻和热沉法兰，所述温控电路采集端连接所述热敏电阻，所述温控电路的输出端连接所述气密封装集成热电制冷器。
14.在更具体的技术方案中，利用光纤密排技术将所述单光子探测阵列中的多支所述负反馈雪崩光电二极管的尾纤按照按预设密排形式排布为所述尾纤阵列。
15.在更具体的技术方案中，所述偏压放大电路的数目与所述单光子探测阵列相适配，所述偏压放大电路还包括：直流稳压电源及低噪声放大器，所述低噪声放大器的输出端通过电容连接所述高速比较器的同相输入端；
16.所述高速比较器的同相输入端连接可调甄别电平，所述高速比较器的反相输入端接地；所述高速比较器的输出端连接所述d触发器的时钟，所述d触发器的输出端与所述高速比较器的锁存控制端连接。
17.在更具体的技术方案中，所述低噪声放大器采用50欧姆输入输出阻抗sige异质结器件，频段覆盖100mhz～1ghz。
18.在更具体的技术方案中，所述负反馈雪崩光电二极管雪崩触发后产生负向雪崩电流，经过电容耦合至低噪声放大器转换为负向电压信号；可调甄别电平将负向电压信号拉高至噪声以上，通过高速比较器电压过零比较甄别出nfad雪崩信号。
19.本发明的技术方案采用雪崩读出信号驱动场效应晶体管放大直流偏压，实现了nfad阳极电平的快速控制，可以主动淬灭雪崩过程，降低后脉冲概率。
20.在更具体的技术方案中，所述死时间计时电路采用fpga对多路雪崩读出甄别电路的输出信号进行计时，按照外部设置的死时间产生恢复信号，对d触发器进行异步复位。
21.本发明利用一路低噪声直流偏置电路实现了多支nfad的反向直流偏置，利用一片fpga实现多路读出电路死时间控制和探测器状态切换，提高了读出电路集成度。
22.在更具体的技术方案中，直流稳压电源通过限流电阻与所述负反馈雪崩光电二极管的阳极连接，据以将所述负反馈雪崩光电二极管两端电压降低至击穿电压以下；所述场效应晶体管漏极与所述负反馈雪崩光电二极管的阳极连接，所述场效应晶体管源极接地；以所述雪崩读出甄别电路输出控制所述场效应晶体管的栅极电压；当所述场效应晶体管栅极电压为高电平时，漏极-源极导通，所述负反馈雪崩光电二极管两端电压高于击穿电压；当场效应晶体管栅极电压为低电平时，漏极-源极断开，所述负反馈雪崩光电二极管两端电压低于击穿电压。
23.在更具体的技术方案中，所述实现死时间控制过程为：
24.所述雪崩读出甄别电路检测到nfad雪崩信号后通过d触发器输出信号将高速比较器切换至锁存状态；所述雪崩读出甄别电路通过电平转换输出高电平，断开场效应晶体管漏极-源极，使得nfad退出盖革探测模式，并使死时间计时电路开始计时；所述死时间计时电路的fpga死时间计时结束后输出高电压，对所述d触发器进行异步复位，控制高速比较器恢复比较模式，控制场效应晶体管的漏极-源极导通，恢复nfad盖革探测模式。
25.本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用光纤密排和nfad实现了自由运行单光子探测器阵列，阵列规模和排布形式灵活，nfad之间独立工作，可以达到高饱和计数率，满足全天时应用条件，本发明利用一路低噪声直流偏置电路实现了多支nfad的反向直流偏置，利用一片fpga实现多路读出电路死时间控制和探测器状态切换，提高了读出电路集成度，本发明的技术方案采用雪崩读出信号驱动场效应晶体管放大直流偏压，实现了nfad阳极电平的快速控制，可以主动淬灭雪崩过程，降低后脉冲概率。解决了现有技术中存在的单光子探测器阵列计数率低、噪声高、集成度低的技术问题。
附图说明
26.图1是本发明的一种自由运行单光子探测器阵列及读出电路的电路结构框图。
27.图2是本发明的一种自由运行单光子探测器阵列及读出电路的光纤阵列结构图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.如图1所示，一种自由运行单光子探测器阵列及读出电路，包括负反馈雪崩光电二极管(nfad)、低噪声直流偏置电路、雪崩读出甄别电路、偏压放大电路、死时间计时电路和温控电路；nfad采用普林斯顿光电研制的62.5/125μm多模光纤自淬灭单光子探测器，内部集成三级热电制冷器、热敏电阻；雪崩读出甄别电路包括低噪声放大器、高速比较器、d触发器和电平转换芯片；偏压放大电路包括直流稳压电源和场效应晶体管；
31.如图2所示，通过光纤密排技术，将8支nfad尾纤按照线列方式排布，阵列上接收的光信号通过尾纤耦合至nfad；低噪声直流偏置电路采用dc-dc升压电源，最高产生90v电压，纹波低于0.1mvpp，采用金属外壳屏蔽，通过1kω电阻与8支nfad阴极连接，提供高于nfad击穿电压的反向直流偏置；雪崩读出甄别电路通过电容与nfad阴极连接；雪崩读出甄别电路输出分别与偏压放大电路、死时间计时电路连接；死时间计时电路输出与雪崩读出甄别电路中d触发器的异步复位端连接；偏压放大电路输出与nfad阳极连接；温控电路采集端与nfad热敏电阻连接，输出端与nfad热电制冷器连接。
32.所述的低噪声放大器为50欧姆输入输出阻抗sige异质结器件，频段覆盖100mhz～3ghz；低噪声放大器输出通过电容与高速比较器同相输入端连接；高速比较器同相输入端接可调甄别电平，反相输入端接地；高速比较器输出与d触发器时钟连接；d触发器输出与高速比较器锁存控制连接。
33.所述的nfad雪崩触发后产生负向雪崩电流，经过电容耦合至低噪声放大器转换为负向电压信号；可调鉴别电平将负向电压信号拉高至噪声以上，通过高速比较器电压过零比较甄别出nfad雪崩信号。
34.所述的死时间计时电路采用fpga对多路雪崩读出甄别电路的输出信号进行计时，按照外部设置的死时间产生恢复信号，对d触发器进行异步复位。
35.所述的直流稳压电源通过限流电阻与nfad阳极连接，从而能够将nfad两端电压降低至击穿电压以下；场效应晶体管漏极与nfad阳极连接，源极接地；雪崩读出甄别电路输出控制场效应晶体管栅极电压；当场效应晶体管栅极电压为高电平时，漏极-源极导通，nfad两端电压高于击穿电压；当场效应晶体管栅极电压为低电平时，漏极-源极断开，nfad两端电压低于击穿电压。
36.雪崩读出甄别电路检测到nfad雪崩信号后通过d触发器输出信号将高速比较器切换至锁存状态；通过电平转换输出高电平，断开场效应晶体管漏极-源极，使得nfad退出盖革探测模式；同时，死时间计时电路开始计时；fpga死时间计时结束后输出高电压，对d触发器进行异步复位，控制高速比较器恢复比较模式，控制场效应晶体管的漏极-源极导通，恢复nfad盖革探测模式。
37.综上，本发明利用光纤密排和nfad实现了自由运行单光子探测器阵列，阵列规模和排布形式灵活，nfad之间独立工作，可以达到高饱和计数率，满足全天时应用条件，本发
明利用一路低噪声直流偏置电路实现了多支nfad的反向直流偏置，利用一片fpga实现多路读出电路死时间控制和探测器状态切换，提高了读出电路集成度，本发明的技术方案采用雪崩读出信号驱动场效应晶体管放大直流偏压，实现了nfad阳极电平的快速控制，可以主动淬灭雪崩过程，降低后脉冲概率。解决了现有技术中存在的单光子探测器阵列计数率低、噪声高、集成度低的技术问题。
38.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。