專利名稱：適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種單光子探測技術，具體來說是一種適用于多像素光子計數器 (MPPC)的平衡型主動抑制電路，該電路可以應用于光子數可分辨探測等弱光探測領域，能有效提高MPPC的探測速率和效率，降低后脈沖。
背景技術：
多像素光子計數器(MPPC)是一種MXN的兩維的硅-雪崩光電二極管(Si APD)陣列，這些Si APD具有共同的陰極與陽極輸出。當Si APD的偏置電壓超過它們的擊穿電壓， 這些Si APD就工作在蓋格模式，這時，單個光子激發的載流子能夠激發出自持性的雪崩電流脈沖，可以被傳統的電流檢測電路檢測到，所以工作在蓋格模式的MPPC是一個擁有MXN 個Si APD的多像素單光子探測器。因為MPPC中所有的Si APD具有共同的陰極和陽極輸出，當多個光子同時入射到不同的Si APD上時，這些Si APD產生的雪崩電流最終線性疊加輸出，雪崩脈沖幅度與發生自持雪崩的Si APD數量成正比，所以通過鑒別MPPC的雪崩脈沖幅度可以分辨到達不同Si APD上的光子數，實現光子數可分辨探測。MPPC需要特殊的探測電路，需要抑制Si APD中產生的自持雪崩，避免器件燒壞。 由于要求分辨光子數，MPPC—般采用被動抑制電路，即MPPC與一個限流大電阻串聯，當 MPPC中的任意一個或多個Si APD發生雪崩時，會產生較大的雪崩電流，雪崩電流流過限流大電阻形成壓降，使得加載在Si APD兩端的偏置電壓降低，進而抑制了雪崩的持續產生，此刻偏置電壓低于Si APD的擊穿電壓，MPPC上所有的Si APD離開蓋格模式，因此在抑制過程中MPPC不能探測單光子。隨著雪崩電流的不斷減小，大電阻兩端的壓降也隨之降低，Si APD的偏置電壓又恢復到雪崩前的狀態，可以再次探測單光子。對于被動抑制模式，Si APD 的恢復時間是由限流大電阻和Si APD的結電容及分布電容所決定，電阻越大，雪崩抑制效果越好，但是所需的恢復時間也越久，通常電阻的取值在數十千歐姆量級，恢復時間在微秒量級，因此，被動模式下單光子探測速率非常低，通常低于1MHz。另外，被動抑制電路中，因為雪崩持續時間長，所以Si APD的后脈沖效應較為嚴重。另一種常用的探測電路是門模式電路，在光子到達的時刻，同步產生一個探測門脈沖，交流耦合至Si APD的陰極，同時加載在Si APD兩端的直流偏壓小于其擊穿電壓。在這種模式下，門脈沖瞬間提高了 Si APD的偏置電壓，使其超過擊穿電壓，因此只有在門脈沖內Si APD才處于蓋格模式，而其他時候Si APD處于線性探測模式，不響應單光子，大大降低了暗計數率和后脈沖概率。由于Si APD的等效結電容會使得輸入的門脈沖在取樣電阻上產生充放電脈沖，通常稱之為尖峰噪聲，該噪聲幅度隨著重復頻率的提高而增大，并將雪崩淹沒于尖峰噪聲之中，需要抑制尖峰噪聲，才能提取雪崩信號。但是，門模式需要一個同步時鐘信號，適用在光子到達時間預先可知的場合，不適用于對未知信號的連續探測。主動抑制電路能使Si APD工作在連續單光子探測模式，主動抑制電路有一個外部反饋電路，利用雪崩信號的上升沿作為觸發信號，產生一個電壓脈沖，然后將電壓脈沖反饋加載到Si APD回路中，將Si APD兩端的偏置電壓拉低，使得雪崩在短時間內得到抑制，緊接著對Si APD快速充電，使其迅速恢復到單光子探測狀態。由于引入了快速關斷電路，使得Si APD恢復時間相對與被動電路減少了不少，提高了 Si APD單光子探測器的探測速率， 同時，也降低了 Si APD的后脈沖效應。然而，傳統的主動抑制電路在抑制雪崩電流的同時， 也淹沒了其原始的雪崩幅度信息，如果直接應用到MPPC上，無法分辨光子數。因此，如何提高MPPC的速率和探測效率，成為一項亟待解決的技術難題。
發明內容本實用新型的目的是針對上述現有技術的不足，提出一種適用MPPC的平衡型主動抑制電路，該電路既保持了傳統的主動抑制電路探測速率高、能連續探測等優點，又克服了傳統主動抑制電路不能實現光子數可分辨探測的缺點，實現了高速的MPPC光子數可分辨探測。本實用新型目的的實現由以下技術方案完成一種適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路，包括主動抑制模塊，其特征在于該抑制電路還包括平衡網絡模塊，所述平衡網絡模塊由延時線電路、差分平衡電路、 和放大電路依次串聯連接構成，其中所述主動抑制模塊與所述平衡網絡并聯連接。所述的主動抑制模塊由延時線電路、雪崩鑒別器電路、脈沖整形電路、抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路構成，所述多像素光子計數器產生的雪崩信號經過延時線電路進入雪崩鑒別器電路，將鑒別出雪崩信號轉化為數字信號后再觸發所述脈沖整形電路，產生的脈沖信號同時觸發抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路，其中，抑制脈沖產生電路與恢復脈沖產生電路并聯連接。所述的抑制脈沖產生電路是由放大電路和分束模塊組成，兩者串聯連接，其中分束模塊將抑制脈沖分為兩路，一路提供給MPPC用于抑制雪崩過程，另一路提供給所述的平衡網絡，用于平衡雪崩信號中存在的抑制脈沖成分。所述的恢復脈沖產生電路是由整形電路及下拉開關串聯組成，其中整形電路用于產生一個非常窄的恢復脈沖，用以控制下拉開關的閉合，使得MPPC能迅速充電。本實用新型的優點是在傳統主動抑制電路的基礎上添加了延時和平衡網絡，使得攜帶光子數信息的雪崩脈沖信息得以完整保留。如圖2所示，灰色的曲線為雪崩信號，根據入射光子數不同，其產生的雪崩信號幅度也不同。因為各種雪崩幅度到達峰值的時間不同， 為了讓MPPC保留雪崩脈沖的幅度信息，必須引入延時，使得抑制脈沖加載的時間在雪崩脈沖的下降沿，保留雪崩脈沖的幅度信息。此外，由于抑制脈沖的幅度遠高于雪崩信號的幅度，在提取雪崩信號的時候，需要用到平衡的方式，差分抵消混合在雪崩信號之上的抑制脈沖的干擾。這里使用的是平衡網絡來完成這一工作，借助于這樣一個平衡型的主動抑制電路，能充分發掘MPPC新型光子數可分辨計數器的潛力，實現高速的光子數可分辨探測。
圖1.本實用新型的系統結構圖；圖2. MPPC陽極的信號的示意圖；圖3.本實用新型的電路實例圖。
具體實施方式
以下結合附圖通過實施例對本實用新型特征及其它相關特征作進一步詳細說明， 以便于同行業技術人員的理解本實用新型的主動抑制模塊，其包括延時線電路、雪崩鑒別器電路、脈沖整形電路、抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路。MPPC產生的雪崩信號經過延時線電路引入一定的延時后，進入雪崩鑒別器電路，該電路能從系統背景電噪聲中鑒別出雪崩信號，將雪崩信號轉化為數字信號后再觸發整形電路，產生一個寬度約為IOns的脈沖信號，用以觸發抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路。其中，抑制脈沖用來在MPPC發生雪崩后迅速的抬高 MPPC陽極的電位，也就是將MPPC兩端的偏置電壓拉低，從而抑制雪崩。然后通過恢復脈沖瞬間將MPPC的陽極與地短路，完成對MPPC的快速充電，使得MPPC迅速恢復到單光子探測的狀態。本實用新型的平衡網絡模塊，其包括延時線電路、差分平衡電路、和放大電路。 MPPC產生的雪崩信號混雜著抑制脈沖通過延時線電路調整延時，使其與主動抑制模塊產生的抑制脈沖到達差分電路的時間一致，通過差分平衡電路能抵消掉抑制脈沖，從而提取出純凈的雪崩信號
以下結合附圖通過實例對本實用新型特征及其他相關特征作進一步詳細說明，以便同行業技術人員理解本實施例的系統框圖如圖1所示，電路圖如圖3所示，它由MPPC偏置電路、主動抑制模塊和平衡網絡組成。該系統中，MPPC偏置電路是由MPPC與直流偏置電壓Vbias以及限流電阻R1、取樣電阻R2串聯組成，其中直流偏壓源Vbias約為50V，限流電阻Rl約為10千歐。主動抑制模塊由延時線Delay Line 1、雪崩鑒別比較器U1、整形電路U2、抑制脈沖產生電路U4和PS2、恢復脈沖產生電路U3和Ql組成。由MPPC產生的雪崩信號通過延時線Delay Line 1，以確保MPPC的雪崩電流脈沖達到最大后，再觸發雪崩鑒別比較器U1，該延時電路保證了雪崩信號不會剛產生就被抑制脈沖淹沒，保留了雪崩信號的完整性。該比較器的反向輸入端參考電平由外部精密電壓源控制，設置在系統背景電噪聲幅度之上。鑒別出的雪崩信號通過整形電路U2整形成脈寬為IOns左右的控制信號，用于觸發抑制脈沖與恢復脈沖產生電路，其中抑制脈沖是由高速放大器U4產生一個寬度約為10ns，幅度7V的脈沖，并通過功率分配器PS2分成相等的兩路，一路輸送給MPPC作為抑制脈沖，另一路提供給平衡網絡作為共模信號進行噪聲相消。恢復脈沖產生電路是利用U2的反向輸出端信號做觸發，繼而整形成脈寬約3ns的恢復脈沖，恢復脈沖緊隨著抑制脈沖的下降沿而產生，用于在MPPC抑制雪崩后迅速將MPPC陽極拉低至零電位，使得MPPC兩端的電壓差恢復到擊穿電壓以上，迅速給MPPC充電，以確保MPPC能夠立刻恢復到再次探測單光子的狀態，這是提高探測速率的關鍵。平衡網絡是由延時線Delay Line 2和差分運算放大器TO組成。其中，延時線 Delay Line 2補償兩路信號的時間差，使得功分器PSl輸出的信號中的抑制脈沖成分，與 PS2輸出的抑制脈沖同時到達U5。通過調節U5輸入端的可調電阻R15，將兩路抑制脈沖信號的幅度調至相等。因此，U5可以發揮其最大的共模信號抑制能力，抵消MPPC陽極中的抑制脈沖成分，從而提取出包含光子數信息的雪崩信號。[0024] 本實施例利用新型主動抑制電路配合平衡網絡，不僅利用主動抑制技術，對MPPC 中每個Si APD實現了快速雪崩抑制，迅速恢復Si APD的單光子探測能力，而且能夠避免抑制脈沖隊雪崩脈沖的影響，通過平衡網絡抵消抑制脈沖對MPPC的輸出信號的干擾，使MPPC 最終輸出包含光子數信息的雪崩信號，實現了高速的光子數可分辨探測。使用的元器件可以如下選擇[0026]Rl:IOkQ R2:50ΩR3: 22Ω[0027]R4:可調電阻R5: 75ΩR6: 75Ω[0028]R7:100Ω R8:390Ω R9:390Ω[0029]RlO390Ω Rll390Ω R12100Ω[0030]R13287Ω R141. 14kQR15:可調電阻[0031]R16IkQ R1725 ΩR18: IkQ[0032]R19100ΩR20: IkQ R21: IkQ[0033]Cl:IOuF C2:0.IuF C3:0. OluF[0034]C4:IOuF C5:0.IuF C6:0. OluF[0035]C7:IOuF C8:0.IuF C9:0. OluF[0036]ClO0. IuFCll: 30pFC12: IOpF[0037]C13IOOpFC14: IOOpFC15: IOOpF[0038]MPPC S10362-11[0039]Dl:BAS125[0040]Ql:BFG591[0041]PSl、PS2: ZFRSC-42-S+[0042]Ul:ADCMP572U2: MC10EL31D[0043]U3:MC10EL31DU4: THS3201[0044]U5:AD8351。
權利要求1.一種適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路，包括主動抑制模塊，其特征在于該抑制電路還包括平衡網絡模塊，所述平衡網絡模塊由延時線電路、差分平衡電路、和放大電路依次串聯連接構成，其中所述主動抑制模塊與所述平衡網絡并聯連接。
2.根據權利要求1所述的一種適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路，其特征在于所述的主動抑制模塊由延時線電路、雪崩鑒別器電路、脈沖整形電路、抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路構成，所述多像素光子計數器產生的雪崩信號經過延時線電路進入雪崩鑒別器電路，將鑒別出雪崩信號轉化為數字信號后再觸發所述脈沖整形電路，產生的脈沖信號同時觸發抑制脈沖產生電路和恢復脈沖產生電路，其中，抑制脈沖產生電路與恢復脈沖產生電路并聯連接。
3.根據權利要求2所述的一種適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路，其特征在于所述的抑制脈沖產生電路是由放大電路和分束模塊組成，兩者串聯連接，其中分束模塊將抑制脈沖分為兩路，一路提供給MPPC用于抑制雪崩過程，另一路提供給所述的平衡網絡，用于平衡雪崩信號中存在的抑制脈沖成分。
4.根據權利要求2所述的一種適用于多像素光子計數器的平衡型主動抑制電路，其特征在于所述的恢復脈沖產生電路是由整形電路及下拉開關串聯組成，其中整形電路用于產生一個非常窄的恢復脈沖，用以控制下拉開關的閉合，使得MPPC能迅速充電。
專利摘要本實用新型是一種單光子探測技術，具體來說是一種適用于多像素光子計數器(MPPC)的平衡型主動抑制電路，可以應用于光子數可分辨探測等弱光探測領域。它是由主動抑制模塊和平衡網絡所構成，加入了延時的主動抑制電路能夠將雪崩信號的幅度信息完整的保留下來，其平衡網絡又能有效的去除抑制脈沖的干擾，從而提取出攜帶光子數信息的雪崩信號。該電路既保持了傳統的主動抑制電路探測速率高、能連續探測等優點，又克服了傳統主動抑制電路不能實現光子數可分辨探測的致命缺點，實現了高速的MPPC光子數可分辨探測。
文檔編號G01J11/00GK202092781SQ201120154490
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者任旻, 吳光, 曾和平, 梁焰, 潘海峰, 簡軼 申請人:華東師范大學