[发明专利]双脉冲叠加雪崩信号提取方法

说明书

本发明提供一种双脉冲叠加雪崩信号提取方法，在正常门控信号的工作条件下，采用一个通道负责提供APD的门控脉冲信号，另一个提供用于雪崩信号叠加突出的正相脉冲信号。本发明适用于常规和变形SPADs电容尖峰噪声信号下的雪崩信号提取，适用面广；提取雪崩信号时无需放大器，简化了电路，同时避免了放大器元件引入电路产生的额外噪声；可以工作在更小门控宽度的门控淬灭电路中，相较于同步门方法，要求APD上下两个电容尖峰之间需要平坦，该方法能有效地提取雪崩信号，大大地提高了APD的工作频率；降低了电路设计成本和电路排布限制，使SPADs的成本降低。

技术领域

本发明属于雪崩检监测技术领域，涉及一种双脉冲叠加雪崩信号提取方法。

背景技术

单光子雪崩二极管探测器(SPADs)利用高电场下的半导体雪崩效应进行单光子探测，即工作在盖革模式(Geiger mode)，在雪崩光电二极管上的偏置电压V需要高于其击穿电压V_BD，使得倍增层具有足够的电场进行持续的碰撞电离过程，从而对单个光子引发出大量的雪崩电荷进行探测。此时雪崩电流具有自我维持的特点，为了避免因为雪崩电流过大造成器件彻底击穿损坏，需要通过外部电路迅速降低倍增层的电场来淬灭雪崩事件，并作好下一次单光子探测的准备。综上所述，SPADs探测器的淬灭电路和信号提取电路是单光子探测必不可少的一部分，对SPADs的性能同样起到了至关重要的作用。

目前主流的淬灭电路是门控淬灭电路，具有探测效率高、暗计数率低的优势。门控淬灭(Gated quenching)是指在SPADs上施加一个不超过击穿电压V_BD的直流偏置V_BL，器件的雪崩主要是通过施加的门脉冲来控制，当门脉冲为高电平Vgate时(门宽T_ON在纳秒到微秒量级)，在SPADs上施加的外加偏置为：Vgate+V_BL，其幅值高于击穿电压，SPADs开始雪崩和计数，否者SPADs处于关闭状态。

目前制约门控淬灭电路应用的问题是门脉冲带来的电容尖峰噪声问题，由于雪崩光电二极管(APD)自身具有结电容，加之电路中各种电子器件产生的寄生电容，当给SPADs施加门控脉冲时会产生电容尖峰信号(大多数情况下其幅值远高于雪崩电流信号)，严重影响雪崩信号的检测。通过电子元器件的小型化和集成化，寄生电容可以降低到几个皮法，SPADs本身的结电容也可以通过结构设计和材料生长进行优化，但伴随门控淬灭电路的尖峰噪声一直是制约雪崩信号提取的主要问题。为了有效地提取雪崩信号，获得较高的探测效率或者高的工作频率，近年来世界各国的研究者们提出了各式各样的解决方案，例如延时计数方法、自差分，电容平衡、同步门和正弦滤波等方法。但是这些方法都是致力于将SPADs产生的电容尖峰噪声抑制，而SPADs在工作时随着外加偏置的变化，其电容也在变化，采用自差分方案、电容平衡方法难于去除电容尖峰噪声；同时由于电路中存在的阻抗不匹配、相位差等原因，SPADs的电容尖峰信号还会发生形状上的畸变，加大了对尖峰噪声信号处理的难度。另外，这些方法为了测到雪崩信号(mV量级)，还需要通过额外的放大器来放大雪崩信号，才能更容易被计数器等设备检测到，这增加了电路的复杂性，同时也有可能引入电路噪声。

发明内容

针对以上问题，提出了一种双脉冲叠加雪崩信号提取方法，与以往抑制尖峰噪声的方法不同，该方法通过叠加脉冲信号使雪崩信号高于尖峰噪声信号，并通过设置阈值电平的方法将尖峰噪声去除。该方法可解决由于门控引入的尖峰电容噪声幅值过大和畸变导致雪崩信号难于提取的问题，同时克服因引入放大器带来的电路噪声问题。

具体的技术方案为：一种双脉冲叠加雪崩信号提取方法，在正常门控信号的工作条件下，采用一个通道负责提供APD的门控脉冲信号，另一个提供用于雪崩信号叠加突出的正相脉冲信号。

具体包括以下步骤：

S1，根据需要的门控频率，设置门控幅值和频率，并采用示波器观察APD在门控淬灭电路下的雪崩信号输出情况，确定并记录雪崩信号大概位置；