APD單光子計(jì)數(shù)的主動(dòng)抑制系統(tǒng)

文超+郭陽寬+祝連慶+那云虓+孟浩+常海濤

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)抑制系統(tǒng)，用以控制APD在單光子計(jì)數(shù)檢測時(shí)的死區(qū)時(shí)間。該系統(tǒng)主要利用ECL（射隨耦合邏輯）電平電路對(duì)雪崩脈沖進(jìn)行快速甄別從而判斷光子到來與否，再將比較器輸出的脈沖通過整形處理輸出給延時(shí)電路，利用CPLD搭建延時(shí)電路，輸出兩路延時(shí)脈沖，兩路延時(shí)脈沖分別輸出給主動(dòng)抑制電路和快恢復(fù)電路，以完成APD死區(qū)時(shí)間的控制。此主動(dòng)抑制系統(tǒng)，有效地將死區(qū)時(shí)間縮短在45 ns；將光子計(jì)數(shù)率提高到20 MHz。

關(guān)鍵詞： APD； 主動(dòng)抑制； 死區(qū)時(shí)間； ECL電平； CPLD

中圖分類號(hào)： TN911.74?34； TH776 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0125?03

Active?quenching system on APD single?photon count

WEN Chao1，2， GUO Yang?kuan1，2， ZHU Lian?qing1，2， NA Yun?xiao1，2， MENG Hao1，2， CHANG Hai?tao3

（1. Key Laboratory for Optoelectronic Measurement Technology， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China；

2. Beijing Engineering Researching Center of Optoelectronic Information & Instruments， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China；

3. School of Instrument Science & Optoelectronics Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100083， China）

Abstract： An active?quenching system is designed to control the dead time of Avalanche Photon Diode （APD） in signal photon counting detecting. The system mainly uses ECL （Emitter coupled logic） level circuit to compare with avalanche pulse quickly and determine whether the photon is coming or not， and then output the pulse of the comparator and shape it to the delay circuit. Using CPLD set up the delay circuit， two delay pulses are output to the active?quench circuit and fast reset circuit respectively to control the dead time of the APD. The active?quenching system could shorten the dead time to 45 ns effectively， and increased photon count rate to 20 MHz.

Keywords： APD； active?quenching； dead time； ECL level； CPLD

0 引 言

單光子計(jì)數(shù)技術(shù)是一種檢測微光的重要方法，在醫(yī)療儀器、大氣污染、分子生物學(xué)以及光子統(tǒng)計(jì)測量[1]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。單光子探測器件有很多，例如光電倍增管、雪崩光電二極管、雪崩二極管陣列和電子增強(qiáng)CCD等[2]；其中光電倍增管應(yīng)用較多、技術(shù)成熟，其外圍電路簡單，探測效果好，但其外形體積大、負(fù)高壓源使其在小型化設(shè)備上應(yīng)用受到了限制。雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode，APD），具有探測靈敏度高、暗電流低、體積小、功耗低和集成度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，可以應(yīng)用在便攜設(shè)備及各種軍事上，隨著科技的進(jìn)步，這些應(yīng)用是發(fā)展的趨勢(shì)[4?5]。

APD工作在雪崩擊穿電壓之上即蓋革模式時(shí)，才能夠檢測到單個(gè)光子。但APD長時(shí)間工作在蓋革模式下，任何光子的吸收都會(huì)產(chǎn)生自侍雪崩，從而導(dǎo)致APD永久性損壞[6]。因此需要對(duì)APD工作電壓進(jìn)行抑制控制。對(duì)APD電壓控制就會(huì)導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間的出現(xiàn)，死區(qū)時(shí)間對(duì)探測效果的影響主要體現(xiàn)在光子計(jì)數(shù)分布的改變以及光子速度頻率上限的減小上。司馬博羽等研究表明[3]，死區(qū)時(shí)間會(huì)使探測器輸出的光子計(jì)數(shù)值減小，其分布會(huì)更加集中，并且死區(qū)時(shí)間越大，入射光子速率越高，這種效應(yīng)就越明顯。因此，應(yīng)將APD的死區(qū)時(shí)間控制的越小越好。

目前對(duì)APD死區(qū)時(shí)間的控制方法主要是控制其兩端的擊穿電壓，分為被動(dòng)抑制、主動(dòng)抑制和門控抑制[7?8]。其中，主動(dòng)抑制是一種較為常用的方法[9]。Hua L?通過采取帶門控的無源與有源抑制相結(jié)合的方法[10]和Rosario Mita，Gaetano Palumbo，Giorgio Fallica通過采用PMOS和NMOS晶體管代替原有的抑制和快恢復(fù)電路的措施[11]，都將死區(qū)時(shí)間降低到最低60 ns。

本文設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)抑制系統(tǒng)，通過ECL電平電路，進(jìn)行快速甄別，檢測出雪崩信號(hào)，同時(shí)利用CPLD快速的產(chǎn)生抑制脈沖和快恢復(fù)脈沖輸出給抑制和快恢復(fù)電路進(jìn)行控制。

1 主動(dòng)抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主動(dòng)抑制系統(tǒng)原理分析

主動(dòng)抑制系統(tǒng)的原理主要是通過外界的干預(yù)控制APD兩端的擊穿電壓，在人為干預(yù)的這段時(shí)間里，APD是不能進(jìn)行探測的，從而把這段時(shí)間稱之為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間要控制在兩個(gè)光子之間，因此，光子頻率就決定了死區(qū)時(shí)間的長短，光子頻率越高，死區(qū)時(shí)間越短。為了提高單光子計(jì)數(shù)精度要求，防止光子堆疊和光子漏記現(xiàn)象，死區(qū)時(shí)間應(yīng)越短越好。APD死區(qū)時(shí)間及主動(dòng)抑制與快恢復(fù)時(shí)序圖如圖1所示。

圖1 抑制與快恢復(fù)電路時(shí)序圖

光子到達(dá)雪崩二極管后，會(huì)產(chǎn)生雪崩脈沖，脈沖經(jīng)過高速比較及整形器產(chǎn)生的雪崩檢測脈沖會(huì)有一定的延時(shí)[t1]之后輸出的信號(hào)脈沖經(jīng)過延時(shí)[t2]輸出抑制脈沖（Quench），抑制脈沖再經(jīng)過延時(shí)[t3]輸出快恢復(fù)脈沖（Reset），快恢復(fù)脈沖持續(xù)一段時(shí)間即[t4。]

從原理分析，此單光子計(jì)數(shù)的主動(dòng)抑制系統(tǒng)整體的死區(qū)時(shí)間為：

[T=t1+t2+t3+t4] （1）

其中，[t1]的時(shí)間無法控制，它是由高速比較及整形電路決定的；[t2]是由CPLD確定的，CPLD時(shí)鐘越高，其反應(yīng)時(shí)間越快，此延時(shí)就越小；[t3]和[t4]是由CPLD來調(diào)控的，可以根據(jù)要求改變其持續(xù)時(shí)間的大小。

由時(shí)序圖可知，當(dāng)[Tt5]時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)光子數(shù)漏記和光子堆疊現(xiàn)象，其中，[t5]是下一個(gè)光子到來的時(shí)間。

1.2 主動(dòng)抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括雪崩信號(hào)甄別模塊、抑制和快恢復(fù)脈沖產(chǎn)生模塊以及抑制和快恢復(fù)模塊三個(gè)部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主動(dòng)抑制電路系統(tǒng)圖

1.2.1 雪崩信號(hào)甄別電路

ECL是帶有射隨輸出結(jié)構(gòu)的典型輸入輸出接口電路；ECL電路最大的特點(diǎn)就是具有很高的速度，平均延時(shí)可能只有幾納秒甚至更少。本文的雪崩信號(hào)甄別模塊主要就是應(yīng)用基于ECL邏輯電平的電路，其延時(shí)在300 ps～4 ns之間。

利用APD作為前端微光探測器，光子到來時(shí)，APD產(chǎn)生一個(gè)光子脈沖信號(hào)即雪崩信號(hào)，高速甄別電路甄別此信號(hào)，以產(chǎn)生雪崩檢測脈沖信號(hào)。雪崩信號(hào)甄別電路如圖3所示。

圖3 雪崩信號(hào)甄別電路

1.2.2 抑制和快恢復(fù)脈沖產(chǎn)生模塊

雪崩脈沖通過甄別電路，輸出雪崩檢測脈沖，送入到CPLD；雪崩檢測脈沖輸入到CPLD，CPLD輸出一路波形標(biāo)準(zhǔn)的抑制脈沖；延時(shí)10 ns，再輸出快恢復(fù)脈沖。CPLD產(chǎn)生的抑制脈沖和快恢復(fù)脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)，延時(shí)精確，為后面的抑制和快恢復(fù)電路提供標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)。

1.2.3 抑制和快恢復(fù)模塊

抑制和快恢復(fù)電路是由抑制和快恢復(fù)脈沖控制的。控制原理如圖4所示，雪崩檢測脈沖觸發(fā)CPLD產(chǎn)生抑制脈沖信號(hào)（Quench），MOS管Q1會(huì)斷開，此時(shí)APD兩端壓降降低，降到擊穿電壓之下，完成雪崩猝熄。經(jīng)過一段延時(shí)，CPLD產(chǎn)生快恢復(fù)脈沖信號(hào)（Reset），使MOS管Q2導(dǎo)通，從而使APD陰極直接與地連接，APD兩端電壓迅速加到雪崩擊穿電壓之上，持續(xù)一段時(shí)間，APD陰極端通過電阻與地連接，等待下一個(gè)光子到來。

圖4 抑制和快恢復(fù)電路

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證及分析

本文采用信號(hào)發(fā)生器模擬雪崩脈沖信號(hào)，梁創(chuàng)等研究表明 [12]，APD輸出的單光子脈沖波形為35 ns，電壓為27 V，經(jīng)過電阻分壓以后，將電壓降至2.5 V，因此，可以利用信號(hào)發(fā)生器模擬真實(shí)的雪崩脈沖信號(hào)，不會(huì)對(duì)后續(xù)測量電路引入誤差及造成影響。

將此脈沖輸入給雪崩信號(hào)甄別電路，再經(jīng)過主動(dòng)抑制及快恢復(fù)電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的控制。主動(dòng)抑制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為2.5 V、頻率為10 MHz的方波，但信號(hào)發(fā)生器在最大頻率10 MHz時(shí)波形畸變，導(dǎo)致示波器波形不標(biāo)準(zhǔn)。將信號(hào)發(fā)生器輸出的方波輸出給電路系統(tǒng)，分別在不同監(jiān)測點(diǎn)檢測出各個(gè)脈沖波形，圖中波形紋波較大，主要原因是由于示波器多個(gè)探頭同時(shí)探測引入干擾，在逐個(gè)單一用示波器探頭探測時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)大的紋波。

圖5中波形依次是雪崩信號(hào)、雪崩檢測信號(hào)、抑制脈沖信號(hào)（Quench）和快恢復(fù)脈沖信號(hào)（Reset）。在雪崩信號(hào)的下降沿時(shí)，經(jīng)過電壓甄別、整形及電平轉(zhuǎn)換電路，輸出雪崩檢測信號(hào)，輸入給CPLD；CPLD檢測到雪崩檢測信號(hào)，立即產(chǎn)生主動(dòng)抑制脈沖信號(hào)，但由于CPLD反應(yīng)時(shí)間的限制，抑制脈沖信號(hào)要比CPLD輸入信號(hào)延遲15 ns；輸出主動(dòng)抑制脈沖信號(hào)之后，延遲20 ns，再輸出快恢復(fù)脈沖信號(hào)。

由式（1）及波形圖可知：

[T=t1+t2+t3+t4=45 ns]

該主動(dòng)抑制系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間可達(dá)到45 ns，理論可檢測光子頻率可到達(dá)[f=1T=22]MHz。

3 結(jié) 論

本文主要研究了一種縮短APD死區(qū)時(shí)間、提高APD單光子計(jì)數(shù)頻率的主動(dòng)抑制系統(tǒng)，主要是應(yīng)用ECL電平電路對(duì)雪崩信號(hào)進(jìn)行快速甄別；利用CPLD產(chǎn)生兩路抑制和恢復(fù)脈沖，這樣產(chǎn)生的脈沖延時(shí)精確、波形標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定。結(jié)果表明，本文研究的系統(tǒng)可以將APD死區(qū)時(shí)間縮短到45 ns，光子頻率可達(dá)到20 MHz。該結(jié)論提高了APD在極微弱光的檢測方面的應(yīng)用價(jià)值，為一些精密儀器便攜化做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃鋼鋒，魏正軍.高速紅外單光子探測器計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（3）：1?4.

[2] 王弟男，陳長青，王挺峰.蓋革模式下雪崩光電二極管光子計(jì)數(shù)探測原理研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，49（12）：128?130.

[3] 司馬博羽，陳錢，何偉基.單光子雪崩二極管的死時(shí)間效應(yīng)分析[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：515?519.

[4] 何偉基，司馬博羽，程耀進(jìn)，等.基于蓋格?雪崩光電二極管的光子計(jì)數(shù)成像[J].光學(xué)精密工程，2012，20（8）：1831?1838.

[5] 王憶鋒，陳潔，余連杰，等.碲鎘汞雪崩光電二極管的發(fā)展[J].紅外，2011，32（10）：1?11.

[6] 王爍.便攜式生物化學(xué)發(fā)光測量平臺(tái)的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[7] 王憶鋒，馬鈺.單光子雪崩二極管猝熄電路的發(fā)展[J].電子科技，2011，24（4）：113?118.

[8] ZAPPA F， LOTITO A， GIUDICE A C， et al. Active?quenching and active?reset circuit for single?photon avalanche detectors [J]. Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（7）： 1298?1301.

[9] 趙菲菲.一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[10] L? H. Experimental characterization of APD and design of quenching circuit for single?photon detection [J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 246?247： 273?278.

[11] MITA R， PALUMBO G， FALLICA G. A fast active quenching and recharging circuit for single?photon avalanche diodes [C]// Proceedings of the 2005 European Conference on Circuit Theory and Design. Cork， Ireland： ECCTD， 2005， 3： 385?388.

[12] 梁創(chuàng)，廖靜，梁冰，等.硅雪崩光電二極管單光子探測器[J].光子學(xué)報(bào)，2000，29（12）：1142?1147.

參考文獻(xiàn)

[1] 黃鋼鋒，魏正軍.高速紅外單光子探測器計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（3）：1?4.

[2] 王弟男，陳長青，王挺峰.蓋革模式下雪崩光電二極管光子計(jì)數(shù)探測原理研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，49（12）：128?130.

[3] 司馬博羽，陳錢，何偉基.單光子雪崩二極管的死時(shí)間效應(yīng)分析[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：515?519.

[4] 何偉基，司馬博羽，程耀進(jìn)，等.基于蓋格?雪崩光電二極管的光子計(jì)數(shù)成像[J].光學(xué)精密工程，2012，20（8）：1831?1838.

[5] 王憶鋒，陳潔，余連杰，等.碲鎘汞雪崩光電二極管的發(fā)展[J].紅外，2011，32（10）：1?11.

[6] 王爍.便攜式生物化學(xué)發(fā)光測量平臺(tái)的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[7] 王憶鋒，馬鈺.單光子雪崩二極管猝熄電路的發(fā)展[J].電子科技，2011，24（4）：113?118.

[8] ZAPPA F， LOTITO A， GIUDICE A C， et al. Active?quenching and active?reset circuit for single?photon avalanche detectors [J]. Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（7）： 1298?1301.

[9] 趙菲菲.一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[10] L? H. Experimental characterization of APD and design of quenching circuit for single?photon detection [J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 246?247： 273?278.

[11] MITA R， PALUMBO G， FALLICA G. A fast active quenching and recharging circuit for single?photon avalanche diodes [C]// Proceedings of the 2005 European Conference on Circuit Theory and Design. Cork， Ireland： ECCTD， 2005， 3： 385?388.

[12] 梁創(chuàng)，廖靜，梁冰，等.硅雪崩光電二極管單光子探測器[J].光子學(xué)報(bào)，2000，29（12）：1142?1147.

參考文獻(xiàn)

[1] 黃鋼鋒，魏正軍.高速紅外單光子探測器計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（3）：1?4.

[2] 王弟男，陳長青，王挺峰.蓋革模式下雪崩光電二極管光子計(jì)數(shù)探測原理研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，49（12）：128?130.

[3] 司馬博羽，陳錢，何偉基.單光子雪崩二極管的死時(shí)間效應(yīng)分析[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：515?519.

[4] 何偉基，司馬博羽，程耀進(jìn)，等.基于蓋格?雪崩光電二極管的光子計(jì)數(shù)成像[J].光學(xué)精密工程，2012，20（8）：1831?1838.

[5] 王憶鋒，陳潔，余連杰，等.碲鎘汞雪崩光電二極管的發(fā)展[J].紅外，2011，32（10）：1?11.

[6] 王爍.便攜式生物化學(xué)發(fā)光測量平臺(tái)的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[7] 王憶鋒，馬鈺.單光子雪崩二極管猝熄電路的發(fā)展[J].電子科技，2011，24（4）：113?118.

[8] ZAPPA F， LOTITO A， GIUDICE A C， et al. Active?quenching and active?reset circuit for single?photon avalanche detectors [J]. Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（7）： 1298?1301.

[9] 趙菲菲.一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[10] L? H. Experimental characterization of APD and design of quenching circuit for single?photon detection [J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 246?247： 273?278.

[11] MITA R， PALUMBO G， FALLICA G. A fast active quenching and recharging circuit for single?photon avalanche diodes [C]// Proceedings of the 2005 European Conference on Circuit Theory and Design. Cork， Ireland： ECCTD， 2005， 3： 385?388.

[12] 梁創(chuàng)，廖靜，梁冰，等.硅雪崩光電二極管單光子探測器[J].光子學(xué)報(bào)，2000，29（12）：1142?1147.