专利名称：适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种单光子探测技术，具体来说是一种适用于多像素光子计数器 (MPPC)的平衡型主动抑制电路，该电路可以应用于光子数可分辨探测等弱光探测领域，能有效提高MPPC的探测速率和效率，降低后脉冲。
背景技术：
多像素光子计数器(MPPC)是一种MXN的两维的硅-雪崩光电二极管(Si APD)阵列，这些Si APD具有共同的阴极与阳极输出。当Si APD的偏置电压超过它们的击穿电压， 这些Si APD就工作在盖格模式，这时，单个光子激发的载流子能够激发出自持性的雪崩电流脉冲，可以被传统的电流检测电路检测到，所以工作在盖格模式的MPPC是一个拥有MXN 个Si APD的多像素单光子探测器。因为MPPC中所有的Si APD具有共同的阴极和阳极输出，当多个光子同时入射到不同的Si APD上时，这些Si APD产生的雪崩电流最终线性叠加输出，雪崩脉冲幅度与发生自持雪崩的Si APD数量成正比，所以通过鉴别MPPC的雪崩脉冲幅度可以分辨到达不同Si APD上的光子数，实现光子数可分辨探测。MPPC需要特殊的探测电路，需要抑制Si APD中产生的自持雪崩，避免器件烧坏。 由于要求分辨光子数，MPPC—般采用被动抑制电路，即MPPC与一个限流大电阻串联，当 MPPC中的任意一个或多个Si APD发生雪崩时，会产生较大的雪崩电流，雪崩电流流过限流大电阻形成压降，使得加载在Si APD两端的偏置电压降低，进而抑制了雪崩的持续产生，此刻偏置电压低于Si APD的击穿电压，MPPC上所有的Si APD离开盖格模式，因此在抑制过程中MPPC不能探测单光子。随着雪崩电流的不断减小，大电阻两端的压降也随之降低，Si APD的偏置电压又恢复到雪崩前的状态，可以再次探测单光子。对于被动抑制模式，Si APD 的恢复时间是由限流大电阻和Si APD的结电容及分布电容所决定，电阻越大，雪崩抑制效果越好，但是所需的恢复时间也越久，通常电阻的取值在数十千欧姆量级，恢复时间在微秒量级，因此，被动模式下单光子探测速率非常低，通常低于1MHz。另外，被动抑制电路中，因为雪崩持续时间长，所以Si APD的后脉冲效应较为严重。另一种常用的探测电路是门模式电路，在光子到达的时刻，同步产生一个探测门脉冲，交流耦合至Si APD的阴极，同时加载在Si APD两端的直流偏压小于其击穿电压。在这种模式下，门脉冲瞬间提高了 Si APD的偏置电压，使其超过击穿电压，因此只有在门脉冲内Si APD才处于盖格模式，而其他时候Si APD处于线性探测模式，不响应单光子，大大降低了暗计数率和后脉冲概率。由于Si APD的等效结电容会使得输入的门脉冲在取样电阻上产生充放电脉冲，通常称之为尖峰噪声，该噪声幅度随着重复频率的提高而增大，并将雪崩淹没于尖峰噪声之中，需要抑制尖峰噪声，才能提取雪崩信号。但是，门模式需要一个同步时钟信号，适用在光子到达时间预先可知的场合，不适用于对未知信号的连续探测。主动抑制电路能使Si APD工作在连续单光子探测模式，主动抑制电路有一个外部反馈电路，利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，产生一个电压脉冲，然后将电压脉冲反馈加载到Si APD回路中，将Si APD两端的偏置电压拉低，使得雪崩在短时间内得到抑制，紧接着对Si APD快速充电，使其迅速恢复到单光子探测状态。由于引入了快速关断电路，使得Si APD恢复时间相对与被动电路减少了不少，提高了 Si APD单光子探测器的探测速率， 同时，也降低了 Si APD的后脉冲效应。然而，传统的主动抑制电路在抑制雪崩电流的同时， 也淹没了其原始的雪崩幅度信息，如果直接应用到MPPC上，无法分辨光子数。因此，如何提高MPPC的速率和探测效率，成为一项亟待解决的技术难题。
发明内容本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种适用MPPC的平衡型主动抑制电路，该电路既保持了传统的主动抑制电路探测速率高、能连续探测等优点，又克服了传统主动抑制电路不能实现光子数可分辨探测的缺点，实现了高速的MPPC光子数可分辨探测。本实用新型目的的实现由以下技术方案完成一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，包括主动抑制模块，其特征在于该抑制电路还包括平衡网络模块，所述平衡网络模块由延时线电路、差分平衡电路、 和放大电路依次串联连接构成，其中所述主动抑制模块与所述平衡网络并联连接。所述的主动抑制模块由延时线电路、雪崩鉴别器电路、脉冲整形电路、抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路构成，所述多像素光子计数器产生的雪崩信号经过延时线电路进入雪崩鉴别器电路，将鉴别出雪崩信号转化为数字信号后再触发所述脉冲整形电路，产生的脉冲信号同时触发抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路，其中，抑制脉冲产生电路与恢复脉冲产生电路并联连接。所述的抑制脉冲产生电路是由放大电路和分束模块组成，两者串联连接，其中分束模块将抑制脉冲分为两路，一路提供给MPPC用于抑制雪崩过程，另一路提供给所述的平衡网络，用于平衡雪崩信号中存在的抑制脉冲成分。所述的恢复脉冲产生电路是由整形电路及下拉开关串联组成，其中整形电路用于产生一个非常窄的恢复脉冲，用以控制下拉开关的闭合，使得MPPC能迅速充电。本实用新型的优点是在传统主动抑制电路的基础上添加了延时和平衡网络，使得携带光子数信息的雪崩脉冲信息得以完整保留。如图2所示，灰色的曲线为雪崩信号，根据入射光子数不同，其产生的雪崩信号幅度也不同。因为各种雪崩幅度到达峰值的时间不同， 为了让MPPC保留雪崩脉冲的幅度信息，必须引入延时，使得抑制脉冲加载的时间在雪崩脉冲的下降沿，保留雪崩脉冲的幅度信息。此外，由于抑制脉冲的幅度远高于雪崩信号的幅度，在提取雪崩信号的时候，需要用到平衡的方式，差分抵消混合在雪崩信号之上的抑制脉冲的干扰。这里使用的是平衡网络来完成这一工作，借助于这样一个平衡型的主动抑制电路，能充分发掘MPPC新型光子数可分辨计数器的潜力，实现高速的光子数可分辨探测。

图1.本实用新型的系统结构图；图2. MPPC阳极的信号的示意图；图3.本实用新型的电路实例图。
具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明， 以便于同行业技术人员的理解本实用新型的主动抑制模块，其包括延时线电路、雪崩鉴别器电路、脉冲整形电路、抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路。MPPC产生的雪崩信号经过延时线电路引入一定的延时后，进入雪崩鉴别器电路，该电路能从系统背景电噪声中鉴别出雪崩信号，将雪崩信号转化为数字信号后再触发整形电路，产生一个宽度约为IOns的脉冲信号，用以触发抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路。其中，抑制脉冲用来在MPPC发生雪崩后迅速的抬高 MPPC阳极的电位，也就是将MPPC两端的偏置电压拉低，从而抑制雪崩。然后通过恢复脉冲瞬间将MPPC的阳极与地短路，完成对MPPC的快速充电，使得MPPC迅速恢复到单光子探测的状态。本实用新型的平衡网络模块，其包括延时线电路、差分平衡电路、和放大电路。 MPPC产生的雪崩信号混杂着抑制脉冲通过延时线电路调整延时，使其与主动抑制模块产生的抑制脉冲到达差分电路的时间一致，通过差分平衡电路能抵消掉抑制脉冲，从而提取出纯净的雪崩信号
以下结合附图通过实例对本实用新型特征及其他相关特征作进一步详细说明，以便同行业技术人员理解本实施例的系统框图如图1所示，电路图如图3所示，它由MPPC偏置电路、主动抑制模块和平衡网络组成。该系统中，MPPC偏置电路是由MPPC与直流偏置电压Vbias以及限流电阻R1、取样电阻R2串联组成，其中直流偏压源Vbias约为50V，限流电阻Rl约为10千欧。主动抑制模块由延时线Delay Line 1、雪崩鉴别比较器U1、整形电路U2、抑制脉冲产生电路U4和PS2、恢复脉冲产生电路U3和Ql组成。由MPPC产生的雪崩信号通过延时线Delay Line 1，以确保MPPC的雪崩电流脉冲达到最大后，再触发雪崩鉴别比较器U1，该延时电路保证了雪崩信号不会刚产生就被抑制脉冲淹没，保留了雪崩信号的完整性。该比较器的反向输入端参考电平由外部精密电压源控制，设置在系统背景电噪声幅度之上。鉴别出的雪崩信号通过整形电路U2整形成脉宽为IOns左右的控制信号，用于触发抑制脉冲与恢复脉冲产生电路，其中抑制脉冲是由高速放大器U4产生一个宽度约为10ns，幅度7V的脉冲，并通过功率分配器PS2分成相等的两路，一路输送给MPPC作为抑制脉冲，另一路提供给平衡网络作为共模信号进行噪声相消。恢复脉冲产生电路是利用U2的反向输出端信号做触发，继而整形成脉宽约3ns的恢复脉冲，恢复脉冲紧随着抑制脉冲的下降沿而产生，用于在MPPC抑制雪崩后迅速将MPPC阳极拉低至零电位，使得MPPC两端的电压差恢复到击穿电压以上，迅速给MPPC充电，以确保MPPC能够立刻恢复到再次探测单光子的状态，这是提高探测速率的关键。平衡网络是由延时线Delay Line 2和差分运算放大器TO组成。其中，延时线 Delay Line 2补偿两路信号的时间差，使得功分器PSl输出的信号中的抑制脉冲成分，与 PS2输出的抑制脉冲同时到达U5。通过调节U5输入端的可调电阻R15，将两路抑制脉冲信号的幅度调至相等。因此，U5可以发挥其最大的共模信号抑制能力，抵消MPPC阳极中的抑制脉冲成分，从而提取出包含光子数信息的雪崩信号。[0024] 本实施例利用新型主动抑制电路配合平衡网络，不仅利用主动抑制技术，对MPPC 中每个Si APD实现了快速雪崩抑制，迅速恢复Si APD的单光子探测能力，而且能够避免抑制脉冲队雪崩脉冲的影响，通过平衡网络抵消抑制脉冲对MPPC的输出信号的干扰，使MPPC 最终输出包含光子数信息的雪崩信号，实现了高速的光子数可分辨探测。使用的元器件可以如下选择[0026]Rl:IOkQ R2:50ΩR3: 22Ω[0027]R4:可调电阻R5: 75ΩR6: 75Ω[0028]R7:100Ω R8:390Ω R9:390Ω[0029]RlO390Ω Rll390Ω R12100Ω[0030]R13287Ω R141. 14kQR15:可调电阻[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。
权利要求1.一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，包括主动抑制模块，其特征在于该抑制电路还包括平衡网络模块，所述平衡网络模块由延时线电路、差分平衡电路、和放大电路依次串联连接构成，其中所述主动抑制模块与所述平衡网络并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，其特征在于所述的主动抑制模块由延时线电路、雪崩鉴别器电路、脉冲整形电路、抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路构成，所述多像素光子计数器产生的雪崩信号经过延时线电路进入雪崩鉴别器电路，将鉴别出雪崩信号转化为数字信号后再触发所述脉冲整形电路，产生的脉冲信号同时触发抑制脉冲产生电路和恢复脉冲产生电路，其中，抑制脉冲产生电路与恢复脉冲产生电路并联连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，其特征在于所述的抑制脉冲产生电路是由放大电路和分束模块组成，两者串联连接，其中分束模块将抑制脉冲分为两路，一路提供给MPPC用于抑制雪崩过程，另一路提供给所述的平衡网络，用于平衡雪崩信号中存在的抑制脉冲成分。
4.根据权利要求2所述的一种适用于多像素光子计数器的平衡型主动抑制电路，其特征在于所述的恢复脉冲产生电路是由整形电路及下拉开关串联组成，其中整形电路用于产生一个非常窄的恢复脉冲，用以控制下拉开关的闭合，使得MPPC能迅速充电。
专利摘要本实用新型是一种单光子探测技术，具体来说是一种适用于多像素光子计数器(MPPC)的平衡型主动抑制电路，可以应用于光子数可分辨探测等弱光探测领域。它是由主动抑制模块和平衡网络所构成，加入了延时的主动抑制电路能够将雪崩信号的幅度信息完整的保留下来，其平衡网络又能有效的去除抑制脉冲的干扰，从而提取出携带光子数信息的雪崩信号。该电路既保持了传统的主动抑制电路探测速率高、能连续探测等优点，又克服了传统主动抑制电路不能实现光子数可分辨探测的致命缺点，实现了高速的MPPC光子数可分辨探测。
文档编号G01J11/00GK202092781SQ201120154490
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者任旻, 吴光, 曾和平, 梁焰, 潘海峰, 简轶 申请人:华东师范大学