[发明专利]一种半导体红外单光子探测器雪崩信号甄别装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于弱光检测技术领域，尤其适用于红外单光子探测器微弱雪崩信号甄别处理。

背景技术

单光子探测器是目前弱光信号检测中最灵敏的装置之一，广泛应用于光谱测量、光学传感、生物检测、量子信息等各个领域。目前能有效工作在红外波段的单光子探测器主要有两种——超导探测器和基于铟镓砷/铟磷(InGaAs/InP)雪崩二极管(APD)的半导体探测器。超导探测器必须工作在超低温环境下，体积庞大，结构复杂，虽然噪声很低，但仅适合于实验室研究；而半导体探测器可以工作在室温或半导体制冷条件下，体积小，功耗低，结构简单，可以满足科研和工程应用的需求。

基于InGaAs/InP雪崩二极管的半导体探测器一般工作于盖革模式，即加载在APD两端的反向偏置电压高于其雪崩击穿电压。在盖革模式下，单个光子产生的光生载流子被放大10⁵～10⁸量级，足以被甄别器检测到。为了减小探测器的噪声，通常让APD工作在低温环境和门控模式下。在脉冲光测量系统中，光子的到达时间是可以提前确定的。在光子到达的很短时间内，给APD两端加载门控脉冲，此时APD两端电压高于雪崩击穿电压；其他时间APD两端电压低于雪崩击穿电压。这样只在很短的时间内进行雪崩探测，可以有效地降低噪声引起的暗计数。但由于InGaAs/InP界面处的晶体结构缺陷，每次发生雪崩以后，半导体载流子有一定的概率被俘获，在下一次门控信号开启时形成虚假的脉冲输出，称为后脉冲效应。

现有的雪崩信号甄别方法为直接电平比较，即在高速比较器的一端输入雪崩信号，另一端输入可调的阈值电平，比较器输出数字电平经过脉宽整形后得到探测信号输出。由于APD雪崩过程的随机性，以及APD结电容效应引起的微分干扰信号和器件热噪声的影响，雪崩信号的幅度和形状都具有不确定性，因此高速比较器输出的数字电平会形成时间抖动(jitter)。针对该问题，有些文献和专利提出了一些改进的甄别方法，如恒比甄别器（CFD）或者采用组合逻辑方法。但由于每次雪崩信号的幅度和形状都处于变化之中，甄别输出的时间抖动难以克服，当探测器的门控重复频率上升到百MHz以上时，探测信号输出的时间抖动会引起计数错误。另外，为了提高探测效率，准确甄别出微分干扰信号和器件热噪声中的雪崩信号，就不得不增大雪崩信号幅度，但这样又会导致后脉冲概率随之增加。

发明内容

针对单光子探测器现有甄别技术的不足，本发明提供了一种新的雪崩信号甄别装置和方法，本发明能够克服探测器输出信号的时间抖动，减小微分干扰信号和器件热噪声的影响，降低探测器的后脉冲概率。

根据本发明的一方面，提出一种单光子探测器雪崩信号同步甄别装置，该装置包括：高速比较器，D触发器，脉冲宽度整形单元，第一可编程延时单元，第二可编程延时单元和扇出单元，其中：

所述扇出单元与所述第一可编程延时单元和第二可编程延时单元连接，用于将一路单光子探测器门控触发信号变成两路完全相同的信号输出，一路信号输入所述第一可编程延时单元，另一路信号输入所述第二可编程延时单元；

所述第一可编程延时单元与所述高速比较器连接，用于对其输入信号进行延时控制，并将延时后的信号送入所述高速比较器中，以作为所述高速比较器的锁存控制信号；

所述第二可编程延时单元与所述D触发器连接，用于对其输入信号进行延时控制，并将延时后的信号送入所述D触发器中，以作为所述D触发器的时钟信号；

所述高速比较器与所述D触发器和所述第一可编程延时单元连接，用于基于雪崩二极管的雪崩信号和锁存控制信号输出数字电平信号，并将所述数字电平信号送入所述D触发器，作为所述D触发器的数据信号；

所述D触发器与所述高速比较器、所述第二可编程延时单元和所述脉冲宽度整形单元连接，用于基于所述高速比较器输出的数据信号和所述第二可编程延时单元输出的时钟信号，采样幅度高于阈值的有效雪崩信号得到输出信号，并将所述输出信号送入所述脉冲宽度整形单元；

所述脉冲宽度整形单元与所述D触发器连接，用于根据所述D触发器的输出信号输出脉冲宽度可控的单光子探测信号。

根据本发明的另一方面，还提出本发明提出的一种单光子探测器雪崩信号同步甄别方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，单光子探测器门控触发信号经过扇出单元，得到两路信号，两路信号分别通过两路可编程延时单元进行延时控制；

步骤S2，将其中一路延时信号送入高速比较器，作为高速比较器的锁存控制信号；将另外一路延时信号送入D触发器，作为D触发器的时钟信号；