[发明专利]一种门控硅基可见近红外单光子探测装置

说明书

本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源、射频变压器、高速CMOS驱动器、FPGA、高速比较器、人机交互界面、硅基可见近红外单光子探测器SAPD；直流高压电源串联电感及限流电阻后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD的N极；本发明能产生上升下降时间较短的大电压门控脉冲，在提高单光子探测效率的同时能有效降低暗计数及后脉冲概率，并能有效滤除门控脉冲前后沿引起的尖峰噪声，实现雪崩信号的计数，同时门控脉冲的宽度及幅度以及重复频率可以调节，针对不同的硅基可见近红外单光子探测器，方便调整工作点以达到性能更优。

技术领域

本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种门控硅基可见近红外单光子探测装置。

背景技术

器件结构及采用的工艺决定了硅基可见近红外单光子探测器需加少则一百多伏，多则几百上千伏且远高于器件击穿电压V_BR的电压才能进入盖格模式工作实现单光子探测，持续加远高于器件V_BR的电压，器件持续的雪崩电流又极容易导致器件损坏，因此，硅基可见近红外单光子探测器SAPD需结合相应的淬灭电路才能实现单光子探测能力的同时延长器件寿命。目前，常用的淬灭方式有被动淬灭、主动淬灭及门控淬灭，对于门控淬灭，已报道的文献中主要针对InGaAs探测器，对硅基探测器的报道甚少。InGaAs探测器需加的偏压及过偏压都较低，而门控工作模式下硅基可见近红外单光子探测器要在不损坏器件的条件下实现较高的单光子探测效率及较低的暗计数与后脉冲概率，则加在SAPD上的偏置高压V_P要尽量低于击穿电压V_BR,要保证门控脉冲V_Pulse叠加到偏置高压V_P后加在SAPD两端的电压幅度远高于器件击穿电压V_BR，则门控脉冲V_Pulse的幅度要尽量大，且脉冲宽度要尽量窄，要保证足够的探测门宽，即门控脉冲V_Pulse为较稳定的高电平时间，这就需要门控脉冲V_Pulse的上升下降时间尽可能短，这无疑提高了门控脉冲V_Pulse的产生难度；门控脉冲幅度越大、上升下降时间越短，前后沿形成的尖峰噪声也越大，这也提高了雪崩信号的提取难度。

发明内容

为了能够产生上升下降时间较短的大电压门控脉冲从而提高单光子探测效率的同时能有效降低暗计数及后脉冲概率，并且滤除因门控脉冲前后沿引起的尖峰噪声，实现雪崩信号的计数，本发明提出一种门控硅基可见近红外单光子探测装置，包括直流高压电源1、射频变压器2、高速CMOS驱动器3、FPGA4、高速比较器5、人机交互界面6、硅基可见近红外单光子探测器SAPD7，其中：

直流高压电源1串联电感L及限流电阻R1后连接硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；

FPGA4产生脉冲宽度及重复频率可调节的gate信号并送给高速CMOS驱动器3，高速CMOS驱动器3将gate信号转换成同频率、同脉冲宽度、但幅度更大且可调的脉冲驱动信号送给连接的射频变压器2，射频变压器2将脉冲驱动信号进一步电压放大，形成脉冲上升、下降时间较短的大电压门控脉冲并经电容C1耦合到硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的N极；

硅基可见近红外单光子探测器SAPD7的P极接有一个一端接地的取样电阻R2，取样电阻R2上取得的信号送入高速比较器5的正输入端，高速比较器5的负输入端接有电压幅度为雪崩信号幅度一半的比较参考电压，若取样电阻R2上取得的信号高于比较参考电压，则高速比较器5输出端输出高电平；否则高速比较器5输出端输出低电平；

进一步的，FPGA4内部生成一个与门逻辑器并将gate信号进行延时得到gate_delay信号，gate_delay信号与高速比较器5输出端送入FPGA4中的信号进行相与操作，即得到只由雪崩信号引起的计数脉冲count。

进一步的，gate_delay信号应满足其前沿在无雪崩信号时正尖峰噪声经高速比较器5比较形成的窄脉冲后延靠后2～5nS位置处。