[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體紅外單光子探測器雪崩信號甄別裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410025243.0
• 申請日: 2014-01-20
• 公開（公告）號: CN103759840A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何德勇;王雙;陳巍;銀振強;周政;韓正甫;郭光燦
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于弱光檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于紅外單光子探測器微弱雪崩信號甄別處理。

背景技術(shù)

單光子探測器是目前弱光信號檢測中最靈敏的裝置之一，廣泛應(yīng)用于光譜測量、光學(xué)傳感、生物檢測、量子信息等各個領(lǐng)域。目前能有效工作在紅外波段的單光子探測器主要有兩種——超導(dǎo)探測器和基于銦鎵砷/銦磷(InGaAs/InP)雪崩二極管(APD)的半導(dǎo)體探測器。超導(dǎo)探測器必須工作在超低溫環(huán)境下，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然噪聲很低，但僅適合于實驗室研究；而半導(dǎo)體探測器可以工作在室溫或半導(dǎo)體制冷條件下，體積小，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足科研和工程應(yīng)用的需求。

基于InGaAs/InP雪崩二極管的半導(dǎo)體探測器一般工作于蓋革模式，即加載在APD兩端的反向偏置電壓高于其雪崩擊穿電壓。在蓋革模式下，單個光子產(chǎn)生的光生載流子被放大10⁵～10⁸量級，足以被甄別器檢測到。為了減小探測器的噪聲，通常讓APD工作在低溫環(huán)境和門控模式下。在脈沖光測量系統(tǒng)中，光子的到達(dá)時間是可以提前確定的。在光子到達(dá)的很短時間內(nèi)，給APD兩端加載門控脈沖，此時APD兩端電壓高于雪崩擊穿電壓；其他時間APD兩端電壓低于雪崩擊穿電壓。這樣只在很短的時間內(nèi)進(jìn)行雪崩探測，可以有效地降低噪聲引起的暗計數(shù)。但由于InGaAs/InP界面處的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，每次發(fā)生雪崩以后，半導(dǎo)體載流子有一定的概率被俘獲，在下一次門控信號開啟時形成虛假的脈沖輸出，稱為后脈沖效應(yīng)。

現(xiàn)有的雪崩信號甄別方法為直接電平比較，即在高速比較器的一端輸入雪崩信號，另一端輸入可調(diào)的閾值電平，比較器輸出數(shù)字電平經(jīng)過脈寬整形后得到探測信號輸出。由于APD雪崩過程的隨機性，以及APD結(jié)電容效應(yīng)引起的微分干擾信號和器件熱噪聲的影響，雪崩信號的幅度和形狀都具有不確定性，因此高速比較器輸出的數(shù)字電平會形成時間抖動(jitter)。針對該問題，有些文獻(xiàn)和專利提出了一些改進(jìn)的甄別方法，如恒比甄別器（CFD）或者采用組合邏輯方法。但由于每次雪崩信號的幅度和形狀都處于變化之中，甄別輸出的時間抖動難以克服，當(dāng)探測器的門控重復(fù)頻率上升到百MHz以上時，探測信號輸出的時間抖動會引起計數(shù)錯誤。另外，為了提高探測效率，準(zhǔn)確甄別出微分干擾信號和器件熱噪聲中的雪崩信號，就不得不增大雪崩信號幅度，但這樣又會導(dǎo)致后脈沖概率隨之增加。

發(fā)明內(nèi)容

針對單光子探測器現(xiàn)有甄別技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種新的雪崩信號甄別裝置和方法，本發(fā)明能夠克服探測器輸出信號的時間抖動，減小微分干擾信號和器件熱噪聲的影響，降低探測器的后脈沖概率。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種單光子探測器雪崩信號同步甄別裝置，該裝置包括：高速比較器，D觸發(fā)器，脈沖寬度整形單元，第一可編程延時單元，第二可編程延時單元和扇出單元，其中：

所述扇出單元與所述第一可編程延時單元和第二可編程延時單元連接，用于將一路單光子探測器門控觸發(fā)信號變成兩路完全相同的信號輸出，一路信號輸入所述第一可編程延時單元，另一路信號輸入所述第二可編程延時單元；

所述第一可編程延時單元與所述高速比較器連接，用于對其輸入信號進(jìn)行延時控制，并將延時后的信號送入所述高速比較器中，以作為所述高速比較器的鎖存控制信號；

所述第二可編程延時單元與所述D觸發(fā)器連接，用于對其輸入信號進(jìn)行延時控制，并將延時后的信號送入所述D觸發(fā)器中，以作為所述D觸發(fā)器的時鐘信號；

所述高速比較器與所述D觸發(fā)器和所述第一可編程延時單元連接，用于基于雪崩二極管的雪崩信號和鎖存控制信號輸出數(shù)字電平信號，并將所述數(shù)字電平信號送入所述D觸發(fā)器，作為所述D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號；

所述D觸發(fā)器與所述高速比較器、所述第二可編程延時單元和所述脈沖寬度整形單元連接，用于基于所述高速比較器輸出的數(shù)據(jù)信號和所述第二可編程延時單元輸出的時鐘信號，采樣幅度高于閾值的有效雪崩信號得到輸出信號，并將所述輸出信號送入所述脈沖寬度整形單元；

所述脈沖寬度整形單元與所述D觸發(fā)器連接，用于根據(jù)所述D觸發(fā)器的輸出信號輸出脈沖寬度可控的單光子探測信號。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出本發(fā)明提出的一種單光子探測器雪崩信號同步甄別方法，該方法包括以下步驟：

步驟S1，單光子探測器門控觸發(fā)信號經(jīng)過扇出單元，得到兩路信號，兩路信號分別通過兩路可編程延時單元進(jìn)行延時控制；

步驟S2，將其中一路延時信號送入高速比較器，作為高速比較器的鎖存控制信號；將另外一路延時信號送入D觸發(fā)器，作為D觸發(fā)器的時鐘信號；