[实用新型]适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种单光子探测技术，具体来说是一种适用于多像素光子计数器（MPPC）的平衡型主动抑制电路，该电路可以应用于光子数可分辨探测等弱光探测领域，能有效提高MPPC的探测速率和效率，降低后脉冲。

背景技术

多像素光子计数器（MPPC）是一种M×N的两维的硅-雪崩光电二极管（Si APD）阵列，这些Si APD具有共同的阴极与阳极输出。当Si APD的偏置电压超过它们的击穿电压，这些Si APD就工作在盖格模式，这时，单个光子激发的载流子能够激发出自持性的雪崩电流脉冲，可以被传统的电流检测电路检测到，所以工作在盖格模式的MPPC是一个拥有M×N个Si APD的多像素单光子探测器。因为MPPC中所有的Si APD具有共同的阴极和阳极输出，当多个光子同时入射到不同的Si APD上时，这些Si APD产生的雪崩电流最终线性叠加输出，雪崩脉冲幅度与发生自持雪崩的Si APD数量成正比，所以通过鉴别MPPC的雪崩脉冲幅度可以分辨到达不同Si APD上的光子数，实现光子数可分辨探测。 

MPPC需要特殊的探测电路，需要抑制Si APD中产生的自持雪崩，避免器件烧坏。由于要求分辨光子数，MPPC一般采用被动抑制电路，即MPPC与一个限流大电阻串联，当MPPC中的任意一个或多个Si APD发生雪崩时，会产生较大的雪崩电流，雪崩电流流过限流大电阻形成压降，使得加载在Si APD两端的偏置电压降低，进而抑制了雪崩的持续产生，此刻偏置电压低于Si APD的击穿电压，MPPC上所有的Si APD离开盖格模式，因此在抑制过程中MPPC不能探测单光子。随着雪崩电流的不断减小，大电阻两端的压降也随之降低，Si APD的偏置电压又恢复到雪崩前的状态，可以再次探测单光子。对于被动抑制模式，Si APD的恢复时间是由限流大电阻和Si APD的结电容及分布电容所决定，电阻越大，雪崩抑制效果越好，但是所需的恢复时间也越久，通常电阻的取值在数十千欧姆量级，恢复时间在微秒量级，因此，被动模式下单光子探测速率非常低，通常低于1MHz。另外，被动抑制电路中，因为雪崩持续时间长，所以Si APD的后脉冲效应较为严重。

另一种常用的探测电路是门模式电路，在光子到达的时刻，同步产生一个探测门脉冲，交流耦合至Si APD的阴极，同时加载在Si APD两端的直流偏压小于其击穿电压。在这种模式下，门脉冲瞬间提高了Si APD的偏置电压，使其超过击穿电压，因此只有在门脉冲内Si APD才处于盖格模式，而其他时候Si APD处于线性探测模式，不响应单光子，大大降低了暗计数率和后脉冲概率。由于Si APD的等效结电容会使得输入的门脉冲在取样电阻上产生充放电脉冲，通常称之为尖峰噪声，该噪声幅度随着重复频率的提高而增大，并将雪崩淹没于尖峰噪声之中，需要抑制尖峰噪声，才能提取雪崩信号。但是，门模式需要一个同步时钟信号，适用在光子到达时间预先可知的场合，不适用于对未知信号的连续探测。

主动抑制电路能使Si APD工作在连续单光子探测模式，主动抑制电路有一个外部反馈电路，利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，产生一个电压脉冲，然后将电压脉冲反馈加载到Si APD回路中，将Si APD两端的偏置电压拉低，使得雪崩在短时间内得到抑制，紧接着对Si APD快速充电，使其迅速恢复到单光子探测状态。由于引入了快速关断电路，使得Si APD恢复时间相对与被动电路减少了不少，提高了Si APD单光子探测器的探测速率，同时，也降低了Si APD的后脉冲效应。然而，传统的主动抑制电路在抑制雪崩电流的同时，也淹没了其原始的雪崩幅度信息，如果直接应用到MPPC上，无法分辨光子数。因此，如何提高MPPC的速率和探测效率，成为一项亟待解决的技术难题。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种适用MPPC的平衡型主动抑制电路，该电路既保持了传统的主动抑制电路探测速率高、能连续探测等优点，又克服了传统主动抑制电路不能实现光子数可分辨探测的缺点，实现了高速的MPPC光子数可分辨探测。

本实用新型目的的实现由以下技术方案完成：

一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，包括主动抑制模块，其特征在于该抑制电路还包括平衡网络模块，所述平衡网络模块由延时线电路、差分平衡电路、和放大电路依次串联连接构成，其中所述主动抑制模块与所述平衡网络并联连接。