[发明专利]基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统

说明书

本发明提供的是一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统。其特征是：系统是由偏压发生器模块201、偏压控制模块202、雪崩光电二极管阵列芯片203、光源204、和信号读出和处理系统205组成。本发明可广泛用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统，可用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等应用。属于光电探测技术领域。

(二)背景技术

雪崩光电二极管是一种半导体光探测器，当运行时，在其上加上一个较高的反向偏置电压后，利用其内部的雪崩击穿效应，可在内部获得较大的增益。当反向偏置电压低于其击穿电压时，雪崩光电二极管工作于线性区域，此时内部增益一般为几十至10³；当反向偏置电压高于其击穿电压时，雪崩光电二极管工作于盖格模式(也称单光子模式)，此时内部增益可高达10⁵～10⁶。由于有着较大的内部增益，雪崩光电二极管的灵敏度远高于其它半导体光电二极管，被广泛应用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等领域。

动态范围是光电探测器的一个重要参数，可定义为最大可测非饱和光信号与最小可测光信号的比值，它决定了探测器所能探测的光信号的功率范围。如果光电探测器的动态范围不足，会很大程度上限制探测系统的准确性和使用范围。比如在光学传感/检测系统中，如果探测器的动态范围不足，可能会导致传感器系统不能检测微弱光信号(有效信号湮没于噪声之中)或者探测器会很容易达到饱和状态(当所测光信号或者环境光信号较强时)，导致其不能读出有效信号，降低了整体系统的准确性；在光时域反射(OTDR)系统中，所用光电探测器的动态范围直接决定了OTDR系统所能检测的光纤长度及其盲区。由此可见，在光信号的探测过程中，为了能够将所测光信号的强光和弱光部分进行正确转换和读出，提高探测系统的准确性和测量范围，需要尽可能提升光电探测器的动态范围和灵敏度。

为了提高基于雪崩光电二极管的微弱光探测器的动态范围，张益昕等在2014年公开了一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法(中国公开专利CN201410326414.3)，他们在门控模式下，根据测量过程中所得的探测结果，对运行于单光子模式下的雪崩光电二极管的门控电压进行调整，提升探测系统的最大不饱和探测效率以实现高动态范围的弱光探测。此外，姜先刚等在2009年公开了自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法(中国公开专利CN200810046356.3)；龚萍等在2015年公开了一种提高光时域反射计动态范围的信号检测(中国公开专利CN201510440108.7)；赵毅强等在2018年公开了自调节脉冲激光测距系统及方法(中国公开专利CN201710729845.8)；以提升雪崩光电二极管探测器的动态范围。以上几种设计都是在光电探测过程中，通过反馈系统，判断系统是否达到饱和状态，然后再对雪崩二极管的反向偏置电压进行调整以达到合适的光强探测范围。

以上所述的这些系统存在的问题有：

1.所用的雪崩光电二极管只工作于一个模式(线性模式或者单光子探测模式)，使得探测系统无法对从单光子量级到较强的光信号进行有效光电转换，限制了探测系统的动态范围。

2.系统探测速度受到较大限制。在探测过程中，需要对雪崩二极管的反向偏置电压进行多次调整，而由于雪崩二极管一般偏置于较高电压，同时要求极小的偏压纹波，因此偏置电压输出端一般会外加多种滤波器以减少噪声，这会使得系统对偏置电压的调整需要较长时间。此外，在偏压调整的过程中反馈系统需要对所测信号进行识别，计算以及判断，这进一步增加了系统探测时间。由以上可知，系统的探测速度会受到很大程度影响，限制了其在连续光信号探测以及快速光电探测系统中的应用。比如，在雪崩光电二极管常应用于的荧光探测系统中，为了减小光漂白(也称光致褪色，photobleaching)的影响，避免对荧光团的光化学破坏，曝光和探测时间一般非常短，以上所述的设计显然无法应用于此领域。