[发明专利]一种集成门控主动式淬火恢复电路

说明书

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域中的一种光子飞行时间测量的集成单光子高速高灵敏检测电路。

背景技术

单光子检测是近年来发展起来的一项新兴的探测技术。它可以应用于生物芯片检测、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、国防军事、光谱测量、量子电子学等领域，并在其中扮演着重要角色。单光子探测器在一些新兴高科技领域内的重要工程价值，已得到越来越充分的体现。

基于半导体雪崩光电二极管（APD）的单光子探测器具有量子效率高、功耗低、全固态、体积小、工作电压低、磁场不敏感等优点，是一种目前应用最广泛的单光子探测器件。限于暗（背景）噪声的影响，通常恒定工作在偏置电压低于反向击穿电压下，即所谓线性模式的雪崩光电二极管，其仅有较小雪崩增益，不具有单光子探测能力。而工作在偏置电压高于反向击穿电压的过偏压下，即所谓盖革模式的雪崩光电二极管，过偏压使其雪崩倍增区形成强电场，当单个光子入射产生的载流子进入雪崩倍增区时，会以一定的概率触发雪崩倍增（增益>106），使单光子电流在皮秒时间量级上升至较易检测的大电流（毫安量级），具有单光子探测性能。在这种工作模式下能实现单光子探测的雪崩光电二极管被称为单光子雪崩二极管(SPAD)。因为半导体雪崩击穿具有自持行为特性，当SPAD长时间处于雪崩状态时其工作性能和可靠性将会受到损害，所以需要采用一种良好控制SPAD偏置状态的淬火恢复电路，在SPAD雪崩发生后能够迅速地使雪崩电流淬灭并把SPAD恢复到等待探测状态。

依据应用要求和SPAD特性的不同，淬火电路各有特点，常见的有四种：被动淬火电路、主动淬火电路、主被动混合式淬火电路、以及门控式淬火电路。

图1所示为门控式淬火电路结构原理示意图，其中Vb为SPAD的反向击穿电压，Vdc为直流偏压略低于Vb，Vex为过偏压。直流电压Vdc通过电感连接到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过检测电阻Rs接地。门控信号通过电容耦合到SPAD的阴极，当门控信号为低时，SPAD的偏置电压略低于反向击穿电压，SPAD处于等待状态；当门控信号为高时，SPAD的偏置电压高于反向击穿电压，SPAD处于待检测状态。在门控内的SPAD待测状态下，当光子到达时且门控信号为高，SPAD吸收光子产生瞬态雪崩大电流并在检测电阻上产生足够的电压脉冲供后级电压检测电路处理。脉冲结束后，门控信号为低，淬灭SPAD。

图1中门控淬火电路采用大电容C1和电感耦合L1，不适合集成实现。除此以外，该门控淬火电路只能用于准确知道光子到达时间的情况下，如果不知道光子到达的准确时间，就不能控制淬灭时间，可能导致SPAD损坏。此外，门控淬火电路工作时，门控信号会通过SPAD的寄生电容耦合到SPAD的阳极干扰信号检测。为了抑制干扰引起的误计数，必须提高幅度检测器的阈值。然而，提高检测阈值将使光子到达到幅度检测器检测到电压信号所用的延迟时间增大，从而显著地降低了光子到达时间的检测精度。

图2所示为主动淬火电路结构示意图，SPAD的阴极直接接入直流电压Vpower，Vpower电压值略大于SPAD反向击穿电压。SPAD的阳极通过一个较小的感应电阻Rs接地。放大器的输入端接到SPAD的阳极，输出端接脉冲发生器，脉冲发生器的输出端接SPAD的阳极，组成控制环路。当光子到达后，SPAD吸收光子产生大的雪崩电流，经检测电阻转化为电压，并经放大器放大使脉冲发生器产生高电平脉冲输出。同时高电平脉冲反馈回SPAD的阳极，使SPAD的反偏电压低于反向击穿电压以淬灭SPAD。

与图1门控淬火电路相比，图2主动淬火电路可以有效地控制淬灭时间，保证SPAD可靠工作；另一方面，主动淬火电路的噪声很小，幅度检测器可以使用较低阈值，提高光子到达时间的检测精度。但是，主动淬火电路长时间处于待检测状态，可能会损害SPAD，可靠性难以保证。而且，主动淬火电路的等待时间较短，会明显提高SPAD的暗计数率和后脉冲概率。

基于以上分析可见，现有技术中的淬火恢复电路存在以下不足：

（1）噪声大：现有门控淬火恢复电路中，门控信号会通过探测器SPAD的寄生电容耦合到探测器的阳极，产生噪声

（2）可靠性低：现有主动淬火电路可以精确的控制探测器的淬灭时间，但是光子到达时间不明确，无法控制探测器的工作时间，若没有光子到达，探测器会长时间处于工作状态，探测器有击穿危险，极易损毁探测器，而且主动淬火电路的关断时间较短，误计数概率很大。

（3）精度低：现有技术大都由分立器件组成，其寄生效应严重，会极大影响的测量精度。