本發(fā)明涉及單光子探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別的涉及一種apd單光子探測(cè)器電路及雪崩信號(hào)甄別方法。

背景技術(shù)：

單光子級(jí)別的光信號(hào)探測(cè)屬于微弱光探測(cè)領(lǐng)域，在量子通信、激光測(cè)距、生物醫(yī)學(xué)和光譜探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前能探測(cè)到單光子信號(hào)的器件主要有光電倍增管（pmt）和app。pmt具有體積大，驅(qū)動(dòng)電壓高，增益低，不易集成等缺點(diǎn)，而apd正好具有與之相反的特性。因此，單光子探測(cè)器件核心器件主要采用apd。檢測(cè)信號(hào)時(shí)，apd工作在蓋革模式，其內(nèi)部耗盡層產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)大的電場(chǎng)，當(dāng)有光子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)，將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電荷在強(qiáng)電場(chǎng)的加速下撞擊產(chǎn)生新的電荷空穴對(duì)，于是光生電子成倍增加，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，apd就可以輸出足以檢測(cè)到的宏觀電流。然而雪崩現(xiàn)象如果一直持續(xù)，將會(huì)產(chǎn)生越來越大的電流導(dǎo)致apd被擊穿，另外雪崩過程如果不能盡快停止將無法進(jìn)行下一次探測(cè)，從而影響探測(cè)效率。所以在探測(cè)到單光子后，需要使apd快速退出蓋革模式，讓雪崩現(xiàn)象盡快“淬滅”，并“重置”至蓋革模式下，以便進(jìn)行下一次探測(cè)。目前通常使用高速門控信號(hào)驅(qū)動(dòng)apd進(jìn)行快速“淬滅-重置”。然而由于apd自身結(jié)電容的存在，在門控脈沖的上升沿和下降沿會(huì)因微分效應(yīng)而產(chǎn)生尖峰噪聲電壓。且尖峰噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)大于因單光子觸發(fā)的雪崩信號(hào)的強(qiáng)度，使得有效雪崩信號(hào)湮沒其中無法提取。因此如果把雪崩信號(hào)從強(qiáng)大的噪聲信號(hào)中提取出來是單光子探測(cè)器需要解決的關(guān)鍵問題。目前甄別雪崩信號(hào)的方法有自差分技術(shù)、正弦波技術(shù)和雙apd平衡等。這些方法都存在一定的缺點(diǎn)：自差分電路調(diào)整重復(fù)頻率非常不方便；高速正弦波電路復(fù)雜，需要額外的微波器件和高頻信號(hào)發(fā)生器；雙apd平衡法要求兩只apd的屬性必須高度相似，并且apd價(jià)格昂貴，故該方案性價(jià)比較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本較低，重復(fù)頻率調(diào)整方便的apd單光子探測(cè)器電路，以及雪崩信號(hào)甄別能力強(qiáng)、準(zhǔn)確率較高的apd單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)甄別方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種apd單光子探測(cè)器電路，包括直流偏置電壓?jiǎn)卧?、門控脈沖發(fā)生器以及雪崩光電二極管apd，所述直流偏置電壓?jiǎn)卧ㄟ^第一電阻r1與所述雪崩光電二極管apd的陰極相連；所述門控脈沖發(fā)生器通過第一電容c與所述雪崩光電二極管apd的陰極相連；所述雪崩光電二極管apd的陽極通過第二電阻r2接地；

其特征在于，所述雪崩光電二極管apd的陽極還依次連接有高速過零比較器和電平測(cè)量比較電路，所述電平測(cè)量比較電路包括用于檢測(cè)高電平的脈寬大小的檢測(cè)模塊，用于將檢測(cè)的脈寬大小與設(shè)定脈寬進(jìn)行比較的判決模塊，以及根據(jù)所述判決模塊的判決結(jié)果產(chǎn)生甄別結(jié)論信號(hào)的信號(hào)生成模塊。

采用上述電路，在門控脈沖進(jìn)入上升沿時(shí)，直流偏置電壓疊加門控脈沖電壓大于雪崩光電二極管apd的擊穿電壓，雪崩光電二極管apd進(jìn)入到蓋革模式，探測(cè)“窗口”打開，可以對(duì)單光子進(jìn)行檢測(cè)，由于門控脈沖從上升沿到下降沿的過程中，apd的輸出信號(hào)電壓始終會(huì)過零一次，通過高速過零比較器對(duì)apd的輸出信號(hào)進(jìn)行過零比較，然后利用電平測(cè)量比較電路測(cè)量高速過零比較器輸出的高電平的脈寬大小。當(dāng)沒有捕獲到單光子時(shí)，apd只輸出門控脈沖上升沿產(chǎn)生的尖峰噪聲；而一旦捕獲到單光子時(shí)，apd將發(fā)生雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生雪崩電流信號(hào)，由于雪崩電流信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間始終晚于門控脈沖上升沿的起始時(shí)間，使得上升沿產(chǎn)生的尖峰噪聲信號(hào)與雪崩信號(hào)疊加后的信號(hào)，經(jīng)高速過零比較器比較后，所產(chǎn)生的高電平的脈寬始終大于上升沿的尖峰噪聲單獨(dú)所產(chǎn)生的高電平的脈寬。利用apd輸出端高電平的這一特性，無需進(jìn)行脈沖分離，即可判斷是否捕捉到單光子。最后，在門控脈沖的下降沿，apd開始退出蓋革模式，讓雪崩現(xiàn)象盡快“淬滅”。apd在下一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)“重置”至蓋革模式，進(jìn)行下一次檢測(cè)。上述電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需對(duì)脈沖進(jìn)行分離，有利于降低實(shí)現(xiàn)的成本，提高檢測(cè)速度和效率。

進(jìn)一步的，所述門控脈沖發(fā)生器包括依次連接的鎖相環(huán)和脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端連接至所述第一電容c。

采用上述結(jié)構(gòu)，需要調(diào)整門控脈沖的寬度時(shí)，可以通過改寫程序調(diào)整鎖相環(huán)占空比來實(shí)現(xiàn)，無需改變硬件電路設(shè)置，脈沖寬度調(diào)整靈活方便。

一種采用如上所述的apd單光子探測(cè)器電路的雪崩信號(hào)甄別方法，其特征在于，包括如下步驟：

a、將直流偏置電壓?jiǎn)卧闹绷髌秒妷汉烷T控脈沖發(fā)生器的門控脈沖加載到所述雪崩光電二極管apd的陰極；

b、當(dāng)門控脈沖進(jìn)入上升沿時(shí)，直流偏置電壓和門控脈沖的峰值電壓之和大于雪崩光電二極管apd的擊穿電壓，使雪崩光電二極管apd進(jìn)入蓋革模式；雪崩光電二極管apd輸出的電流信號(hào)經(jīng)第二電阻r2轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入高速過零比較器進(jìn)行過零比較處理；

c、高速過零比較器的處理結(jié)果送入電平測(cè)量比較電路后，通過檢測(cè)模塊檢測(cè)輸出的高電平的脈寬為t2，并將檢測(cè)的脈寬t2送入判決模塊中，與設(shè)定的脈寬t1相比較，并將比較結(jié)果送入信號(hào)生成模塊中，

若t2大于t1，則表示探測(cè)到單光子，信號(hào)生成模塊產(chǎn)生“檢測(cè)到單光子”的甄別結(jié)論信號(hào)并輸出；否則，表示沒有探測(cè)到單光子，信號(hào)生成模塊產(chǎn)生“未檢測(cè)到單光子”的甄別結(jié)論信號(hào)并輸出。

綜上所述，本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需對(duì)脈沖進(jìn)行分離，有利于降低實(shí)現(xiàn)的成本，提高檢測(cè)速度和效率；本發(fā)明方法具有雪崩信號(hào)甄別能力強(qiáng)，準(zhǔn)確率較高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的雪崩信號(hào)甄別方法的原理圖。

圖2為apd雪崩信號(hào)甄別時(shí)序圖。

圖3為apd單光子探測(cè)器電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1~圖3所示，其實(shí)，本發(fā)明apd單光子探測(cè)器電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，直流偏置電壓?jiǎn)卧獀dc通過第一電阻r1與雪崩光電二極管apd的陰極相連，偏置電壓大小略低于apd擊穿電壓；fpga可編程門陣列電路內(nèi)部的門控信號(hào)產(chǎn)生電路通過第一電容c與雪崩光電二極管apd的陰極相連；雪崩光電二極管apd的陽極通過第二電阻r2接地，同時(shí)，雪崩光電二極管apd的陽極還連接有過零比較電路，過零比較電路的輸出端連接到fpga可編程門陣列電路內(nèi)部的電平測(cè)量比較電路，電平測(cè)量比較電路包括用于檢測(cè)雪崩光電二極管apd輸出端的高電平的脈寬大小的檢測(cè)模塊，用于將檢測(cè)的脈寬大小與設(shè)定脈寬進(jìn)行比較的判決模塊，以及根據(jù)所述判決模塊的判決結(jié)果產(chǎn)生甄別結(jié)論信號(hào)的信號(hào)生成模塊；門控信號(hào)產(chǎn)生電路包括鎖相環(huán)和脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端連接至所述第一電容c。

采用上述電路，在門控脈沖進(jìn)入上升沿時(shí)，直流偏置電壓和門控脈沖電壓之和大于雪崩光電二極管apd的擊穿電壓時(shí)，雪崩光電二極管apd進(jìn)入到蓋革模式，對(duì)單光子進(jìn)行檢測(cè)，由于門控脈沖從上升沿到下降沿的過程中，apd的輸出端的電平始終會(huì)過零一次，通過高速過零比較器對(duì)apd的輸出進(jìn)行過零比較，然后通過電平測(cè)量比較電路的檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)就可以得到apd輸出高電平的脈寬大小。當(dāng)沒有捕獲到單光子時(shí)，apd只輸出門控脈沖上升沿產(chǎn)生的尖峰噪聲；而一旦捕獲到單光子時(shí)，apd將發(fā)生雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生雪崩電流信號(hào)，由于雪崩電流信號(hào)始終晚于門控脈沖上升沿的起始時(shí)間，使得上升沿的尖峰噪聲與雪崩電流信號(hào)所疊加后產(chǎn)生的高電平的脈寬始終大于上升沿的尖峰噪聲所產(chǎn)生的高電平的脈寬。利用apd輸出端高電平的這一特性，無需進(jìn)行脈沖分離，即可判斷是否捕捉到單光子。最后，在門控脈沖的下降沿，apd開始退出蓋革模式，讓雪崩現(xiàn)象盡快“淬滅”。apd在下一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)“重置”至蓋革模式，進(jìn)行下一次檢測(cè)。上述電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需對(duì)脈沖進(jìn)行分離，有利于降低實(shí)現(xiàn)的成本，提高檢測(cè)速度和效率。

具體檢測(cè)步驟為：

（一）直流偏置電壓vdc和窄門控脈沖加載到apd陰極，直流偏置電壓略低于apd的擊穿電壓vbr，當(dāng)門控脈沖進(jìn)入上升沿時(shí)，偏置電壓疊加門控信號(hào)的峰值電壓大于apd的擊穿電壓，apd進(jìn)入蓋革模式，此時(shí)“門”打開；當(dāng)門脈沖進(jìn)入下降沿時(shí)，脈沖電壓消失，只有偏置電壓，apd退出蓋革模式，此時(shí)“門”關(guān)閉?！伴T”打開的時(shí)間，即門控脈沖的高電平脈寬t，如圖2中的a所示。

（二）在“門”打開的時(shí)候，如果沒有檢測(cè)到單光子信號(hào)，apd只輸出門控脈沖上升沿和下降沿產(chǎn)生的尖峰噪聲；當(dāng)捕獲到單光子時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)，apd除輸出尖峰噪聲外，還有雪崩電流信號(hào)，但雪崩信號(hào)強(qiáng)度弱于噪聲信號(hào)，幾乎湮沒在噪聲中，如圖2中的b所示。

（三）apd輸出的電流信號(hào)經(jīng)電阻取樣后，送入高速過零比較器。只有噪聲輸入時(shí)，經(jīng)過零比較器比較輸出的高電平脈寬為t1；當(dāng)發(fā)生雪崩效應(yīng)時(shí)，由于雪崩電流的加入，經(jīng)過零比較器比較輸出的高電平脈寬為t2，t2>t1，如圖2中的c所示。

（四）用高頻時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸出的高電平進(jìn)行采樣測(cè)量，當(dāng)測(cè)量出高電平脈寬大于t1時(shí)，即可判斷發(fā)生了雪崩效應(yīng)，說明檢測(cè)到了單光子信號(hào)，從而將雪崩信號(hào)從尖峰噪聲中甄別出來，如圖2中的d所示。

具體實(shí)施時(shí)，判決模塊的設(shè)定脈寬可以采用如下方法確定，先將apd進(jìn)行遮光處理，保證apd無法捕獲到單光子，對(duì)經(jīng)過零比較器比較輸出的高電平脈寬進(jìn)行檢測(cè)得到的脈寬值即為設(shè)定脈寬t1。進(jìn)一步，為提高設(shè)定脈寬的準(zhǔn)確性，可以采用上述方法進(jìn)行多次檢測(cè)，將得到的最大脈寬作為設(shè)定脈寬。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不以本發(fā)明為限制，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。