[发明专利]一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法

说明书

本发明公开了一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法，积分门控单光子探测器的积分电容放电电路采用两个并联反接的光电二极管PIN与电荷积分电容相接连，在不同时刻分别对两个光电二极管PIN加上不同光功率的光脉冲，可以释放掉电荷积分电容上的电荷，对下一个雪崩信号进行信号采集。本发明的优点在于没有电荷注入效应，释放积分电容上电荷的速度快。

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别是涉及一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法。

背景技术

光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

在单光子探测实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管APD作为探测器件的方案。根据APD雪崩方式的不同，单光子探测器中的APD工作方式有三种：无源抑制、有源抑制和门控模式。现阶段工作在红外波段的APD主要采用门控模式的工作方式。门控模式的基本原理是，直流电压通过电阻R加载到APD的阴极，直流电压低于APD的雪崩电压。只有当光信号到达时，门控脉冲的高电平加载到APD上，使其偏置电压高于雪崩击穿电压，从而获得足够大的增益，进行单光子探测。

门控模式可以很好的减少暗计数和后脉冲，但同时由于高速的门控脉冲会通过APD的结电容耦合到探测电路上，在门控脉冲的上升沿和下降沿分别产生正负的电尖峰，导致错误计数。为了消除门控噪声，目前消除电尖峰比较好的方案是采用积分门控的方案。

积分门控实现单光子探测需要对积分电容上积分的电荷进行释放，积分电容放电的速度直接决定探测器的探测速度，因此提高单光子探测器的探测速度是现阶段急需解决的问题。目前主要采用电子开关来对积分电容进行充放电，电子开关会产生电荷注入效应，增大测量误差，并且CMOS开和关的时间多余10ns，导致探测器的速度不会高于100MHz。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明首先提供了一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路。其中积分电容与PIN光电二极管并联连接，利用流过PIN光电二极管的电荷数与输入光子数成正比的特点，通过给PIN光电二极管输入合适的光子数来达到给积分电容放电的目的。

因为每个积分周期中，积分电容上的电荷数是随机的，如果采用单个PIN光电二极管连接积分电容时，无法确定给PIN光电二极管输入多少光子数，并不能达到释放积分电容上的电荷的目的，因此本发明通过两个反向并联的PIN光电二极管对积分电容进行放电。

光电二极管PIN1先通入较强的光强，使其进入饱和状态，积分电容充上确定的电荷数，达到饱和状态的光电二极管PIN1的阻抗R会降至几个欧姆，并且此时PIN2光电二极管处于反偏状态，呈高阻态。这个期间可以通过光电二极管PIN1释放原积分电容上积累的雪崩和电尖峰产生的电荷，使得电荷积分电容C0上保持确定的电荷数；之后光电二极管PIN2再通入合适的光强，使得光电二极管PIN2的光生载流子数等于积分电容上的电荷数，这样就能够迅速地使积分电容上的电压归零，此时两个光电二极管PIN1、PIN2都处于零偏的状态，它们的阻抗R的阻值到达MΩ级别，两个光电二极管对电荷积分电容C0放电忽略不计，之后就可以通过积分电容对雪崩和电尖峰产生的电荷进行积分。

本发明的又一目的是提出一种积分门控单光子探测器的积分电容放电方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路，包括直流偏置电压单元、门控脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过电阻R1与所述雪崩光电二极管APD的阴极连接，所述门控脉冲发生器通过电容C1与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极连接电荷积分电容C0的一端；