[发明专利]一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统

说明书

本发明提供的是一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统。其特征是：它由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。本发明可用于消除后脉冲效应对单光子探测器系统的影响，可广泛用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统，本发明可用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域，属于单光子探测技术领域。

(二)背景技术

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是基于内光电效应制成的光电器件。当其外加反偏电压大于雪崩击穿电压时，单个光子入射到单光子雪崩光电二极管会引起雪崩似的电流倍增，此时单光子雪崩光电二极管工作盖革模式(也叫单光子模式)。该模式下单光子光电二极管的内部增益很高，可以达到10⁶以上。由于有着极大的增益，单光子雪崩光电二极管的灵敏度远高于普通的光电二极管，被广泛应用在量子保密通信、激光雷达测距、荧光寿命探测和医学成像等极微弱光探测领域。

单光子雪崩光电二极管工作在单光子探测模式，当雪崩事件发生时，倍增区材料中的任何陷阱都会成为载流子的捕获中心，当大量的电荷流过SPAD时，一些载流子被这些陷阱捕获。当雪崩被抑制后，这些陷阱开始释放载流子，如果受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生和前一次雪崩脉冲相关的后脉冲。

SPAD中载流子的陷阱寿命τ的表达式为：

其中E_a为陷阱的激活能，T是温度，k是波尔兹曼常数，C由相关的有效态密度、陷阱的横截面和温度决定。另外，被陷阱俘获的载流子释放概率相对于时间t呈指数关系。由于SPAD中陷阱的类型取决于实际制造工艺，所以SPAD中存在各种寿命不同的陷阱。因此，SPAD工作在单光子探测模式的时间窗口t内的后脉冲概率包含不同的指数成分，后脉冲概率表达式为：

其中i代表不同的陷阱类型，A_i是雪崩事件期间陷阱被填充的可能性，通常情况下N的取值小于等于5。此外，SPAD的增益的表达式为：

M(V)＝1/[1-(V/V_B)ⁿ] (3)

其中V_B是SPAD的雪崩击穿电压，V是SPAD工作电压，参数n与SPAD的电阻率相关。从上述理论公式中可以看出SPAD中陷阱寿命由环境温度T、陷阱的类型、陷阱的激活能和陷阱的横截面等多个因素决定。此外，由于SPAD的增益与其工作电压成正相关，SPAD的增益会随着的电压的增大而增大，后脉冲的发生概率也会随着电压的增大而增大。后脉冲受到多个因素的影响，而且根据后脉冲的触发机制可知一个入射光子产生的雪崩脉冲可能产生一个或多个次级后脉冲,可见SPAD的后脉冲效应比较复杂。高的后脉冲率会降低单光子探测系统的信噪比，降低探测敏感度，阻碍了需要精度测量的应用。因此，单光子探测系统中后脉冲率需要被尽可能的降低。通常SPAD中的陷阱寿命τ的范围可以达到10纳秒到几个微秒，通过进行相关实验得到被陷阱俘获的载流子再释放所用时间(陷阱寿命τ)相较于正常SPAD输出光生脉冲之间的时间间隔要窄。因此本发明根据以上理论分析和实验结果提出利用正常光生脉冲之间的时间间隔与具有后脉冲效应的光生脉冲和后脉冲之间的时间间隔的差异性来实现后脉冲的降低。