[发明专利]单光子雪崩二极管的淬灭和读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及极微弱光信号检测技术领域，具体涉及一种单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)的淬灭和读出电路。

背景技术

在生物医学、量子成像、激光计测、加密系统以及环境辐射检测等领域中，经常会需要在噪声远远大于有用信号的不利条件下识别并提取出所需信号，这就对极微弱光检测技术提出越来越苛刻的要求。单光子探测技术具有超高灵敏度、超快响应速度等优点，能够检测到光的最小能量粒子——光子，是目前一种较为成熟的探测极微弱光的方法。单个光子的能量极小，仅为10^-19～10^-18J，要想检测到单光子，就必须采用特殊的光电器件。单光子雪崩二极管，是特指工作电压高于击穿电压的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，也称为盖革模式SPAD。SPAD以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为单光子探测的最佳器件选择。下面介绍SPAD的工作原理。

SPAD基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大，从而提高检测的灵敏度。盖革模式下，SPAD的工作电压大于其雪崩击穿电压，这样能够保证即使单个光子入射激发出的载流子也能引起雪崩效应。激发的载流子漂移进入耗尽层，在SPAD中强电场的作用下，载流子被瞬间加速并获得足够的能量，不断地与晶格发生碰撞，新产生的载流子继续在电场的作用下撞击晶格，又会产生新的载流子，如此连锁反应，使得载流子的数量雪崩式增加，反向电流在纳秒甚至亚纳秒内上升至毫安培量级。然而雪崩是一种自维持行为，SPAD本身并不能自发地将其淬灭。为了保护SPAD，以免器件被大电流损坏，SPAD必须和淬灭电路配合使用，在雪崩发生后迅速将SPAD的偏压降至击穿电压以下，将雪崩淬灭，并快速再将SPAD的偏压拉回击穿电压以上，使得SPAD恢复到待检测光子的状态。因此，每探测到一个单光子，SPAD会倍增输出一个自然离散的电脉冲信号，再利用外围电路实现信号甄别并计数就能将湮没在噪声中的有用信号识别并提取出来。

由此可见，淬灭电路对于SPAD的性能有着重要影响，基本的淬灭电路有被动式淬灭电路、主动式淬灭电路和门控式淬灭电路。

(1)被动式淬灭电路(Passive Quenching Circuit，PQC)

图1所示为被动式淬灭电路原理示意图，其中，用Vb来表示SPAD的反向击穿电压，Vp为略高于Vb的直流偏置电压，采样电阻Rs阻值较小，一般为几十至几百欧姆，淬灭电阻R_L阻值较大，一般为几百千欧姆。直流偏置电压Vp通过R_L连接到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过Rs接地，单光子入射产生的雪崩脉冲信号Vout从Rs上引出。在光子到达之前，SPAD两端电压为Vp，此时处于待检测状态；一旦有光子到达便能触发雪崩，瞬间增大的雪崩电流在R_L上引起很大压降，SPAD上的电压被降至击穿电压以下，雪崩被淬灭；之后，Vp又对SPAD充电，使其恢复到待检测状态，继续对下一个光子进行探测。

PQC电路极其简单，像元占空比较高，通常情况下，淬灭电阻必须很大才能够实现淬灭，这就导致SPAD所需的恢复时间较长且难以控制，容易产生后脉冲，另外，SPAD大部分时间均处于强反偏压状态下，器件损坏的几率也较大。由此可见，PQC死区时间太长，最大计数率低，限制了探测器的动态范围和性能，因而PQC仅适用于对探测器工作频率和精度要求不高的场合。

(2)主动式淬灭电路(Active Quenching Circuit，AQC)

为了尽可能缩短恢复时间，人们提出了主动式淬灭电路。图2所示为主动式淬灭电路原理示意图，其中，略高于Vb的直流偏置电压Va与SPAD的阴极直接相连，SPAD的阳极经过采样电阻Rs接地，放大器的正相输入端接SPAD的阳极，反相输入端接阈值电压Vth，放大器的输出驱动脉冲信号发生器，脉冲信号发生器的输出Vout反馈回SPAD的阳极，构成闭合回路。当光子未到达时，SPAD处于待检测状态，当光子到达后，SPAD吸收光子并发生雪崩，雪崩电流经采样电阻Rs后转化为电压信号，该电压信号经放大器放大后驱动脉冲信号发生器，使其输出高电压脉冲信号，反馈给SPAD的阳极，这样就可以将SPAD的偏压降至击穿电压以下，从而将雪崩淬灭，随后SPAD又恢复为雪崩前的状态，等待检测下一个光子。