[发明专利]一种自由运行单光子探测器及读出电路

说明书

本发明提供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；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，多支负反馈雪崩光电二极管的尾纤密排为尾纤阵列；雪崩读出甄别电路通过电容与负反馈雪崩光电二极管的阴极连接，雪崩读出甄别电路的输出端连接偏压放大电路，偏压放大电路的输出端与负反馈雪崩光电二极管阳极连接；死时间计时电路连接雪崩读出甄别电路的输出端；低噪声直流偏置电路，其通过高阻值电阻与每支负反馈雪崩光电二极管的阴极连接。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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。