APD單光子計數(shù)的主動抑制系統(tǒng)

文超+郭陽寬+祝連慶+那云虓+孟浩+常海濤

摘 要： 設(shè)計了一種主動抑制系統(tǒng)，用以控制APD在單光子計數(shù)檢測時的死區(qū)時間。該系統(tǒng)主要利用ECL（射隨耦合邏輯）電平電路對雪崩脈沖進(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電路，利用CPLD搭建延時電路，輸出兩路延時脈沖，兩路延時脈沖分別輸出給主動抑制電路和快恢復(fù)電路，以完成APD死區(qū)時間的控制。此主動抑制系統(tǒng)，有效地將死區(qū)時間縮短在45 ns；將光子計數(shù)率提高到20 MHz。

關(guān)鍵詞： APD； 主動抑制； 死區(qū)時間； ECL電平； CPLD

中圖分類號： TN911.74?34； TH776 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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[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[4?5]。

APD工作在雪崩擊穿電壓之上即蓋革模式時，才能夠檢測到單個光子。但APD長時間工作在蓋革模式下，任何光子的吸收都會產(chǎn)生自侍雪崩，從而導(dǎo)致APD永久性損壞[6]。因此需要對APD工作電壓進(jìn)行抑制控制。對APD電壓控制就會導(dǎo)致死區(qū)時間的出現(xiàn)，死區(qū)時間對探測效果的影響主要體現(xiàn)在光子計數(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)時間會使探測器輸出的光子計數(shù)值減小，其分布會更加集中，并且死區(qū)時間越大，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)時間控制的越小越好。

目前對APD死區(qū)時間的控制方法主要是控制其兩端的擊穿電壓，分為被動抑制、主動抑制和門控抑制[7?8]。其中，主動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)時間降低到最低60 ns。

本文設(shè)計了一種主動抑制系統(tǒng)，通過ECL電平電路，進(jìn)行快速甄別，檢測出雪崩信號，同時利用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 主動抑制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 主動抑制系統(tǒng)原理分析

主動抑制系統(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)的這段時間里，APD是不能進(jìn)行探測的，從而把這段時間稱之為死區(qū)時間。死區(qū)時間要控制在兩個光子之間，因此，光子頻率就決定了死區(qū)時間的長短，光子頻率越高，死區(qū)時間越短。為了提高單光子計數(shù)精度要求，防止光子堆疊和光子漏記現(xiàn)象，死區(qū)時間應(yīng)越短越好。APD死區(qū)時間及主動抑制與快恢復(fù)時序圖如圖1所示。

圖1 抑制與快恢復(fù)電路時序圖

光子到達(dá)雪崩二極管后，會產(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有一定的延時[t1]之后輸出的信號脈沖經(jīng)過延時[t2]輸出抑制脈沖（Quench），抑制脈沖再經(jīng)過延時[t3]輸出快恢復(fù)脈沖（Reset），快恢復(fù)脈沖持續(xù)一段時間即[t4。]

從原理分析，此單光子計數(shù)的主動抑制系統(tǒng)整體的死區(qū)時間為：

[T=t1+t2+t3+t4] （1）

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

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

1.2 主動抑制系統(tǒng)設(shè)計

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

圖2 主動抑制電路系統(tǒng)圖

1.2.1 雪崩信號甄別電路

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

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

圖3 雪崩信號甄別電路

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。

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?？刂圃砣鐖D4所示，雪崩檢測脈沖觸發(fā)CPLD產(chǎn)生抑制脈沖信號（Quench），MOS管Q1會斷開，此時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，CPLD產(chǎn)生快恢復(fù)脈沖信號（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)一段時間，APD陰極端通過電阻與地連接，等待下一個光子到來。

圖4 抑制和快恢復(fù)電路

2 實驗結(jié)果論證及分析

本文采用信號發(fā)生器模擬雪崩脈沖信號，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，可以利用信號發(fā)生器模擬真實的雪崩脈沖信號，不會對后續(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甄別電路，再經(jīng)過主動抑制及快恢復(fù)電路系統(tǒng)，實現(xiàn)對死區(qū)時間的控制。主動抑制系統(tǒng)實驗結(jié)果波形如圖5所示。

圖5 實驗結(jié)果波形圖

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

圖5中波形依次是雪崩信號、雪崩檢測信號、抑制脈沖信號（Quench）和快恢復(fù)脈沖信號（Reset）。在雪崩信號的下降沿時，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，輸入給CPLD；CPLD檢測到雪崩檢測信號，立即產(chǎn)生主動抑制脈沖信號，但由于CPLD反應(yīng)時間的限制，抑制脈沖信號要比CPLD輸入信號延遲15 ns；輸出主動抑制脈沖信號之后，延遲20 ns，再輸出快恢復(fù)脈沖信號。

由式（1）及波形圖可知：

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

該主動抑制系統(tǒng)死區(qū)時間可達(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)時間、提高APD單光子計數(shù)頻率的主動抑制系統(tǒng)，主要是應(yīng)用ECL電平電路對雪崩信號進(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)用價值，為一些精密儀器便攜化做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

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