一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路

1.本发明属于弱光探测领域，具体涉及一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路。


背景技术：

2.单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。在量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)系统中，单光子作为信息的载体在量子信道中传输，终端的单光子探测技术成为关键技术。单光子探测器(single photon detector,spd)突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限，具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点，故成为关键核心设备，其性能指标直接制约了量子通信系统的性能，提升单光子探测器的性能始终处于重要地位。对单光子探测技术进行深入彻底的研究，研发高性能、高集成度的单光子探测器，对进一步推动量子通信实用化进程具有重大意义。单光子探测器可分为光电倍增管、单光子雪崩二极管和超导单光子探测器。其中，光电倍增管量子效率低下，超导单光子探测器实验环境苛刻，不适用于一般应用。单光子雪崩二极管凭借其探测效率高、稳定性强、体积小、成本低等优势，已经成为目前最主流的单光子探测器件。
3.单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，spad)可以工作在线性模式或者盖革模式，在线性模式下，spad两端电压要低于雪崩击穿电压，当光打入spad的吸收层时，会产生光电流，该电流强度与输入光强成正比。在一些弱光探测领域中，光电流较小，很难提取，往往让单光子雪崩二极管工作在盖革模式，即spad两端电压要高于雪崩击穿电压，只要有单个光子进入spad的吸收层，通过电场的碰撞电离效应，源源不断地激发出载流子，产生雪崩效应，最终在阳极处输出宏观可观测的电流，经过电阻采样后可输出雪崩信号。但这种雪崩过程是自持性的，过大的电流容易损坏单光子雪崩二极管，需要在甄别出雪崩信号的同时迅速将雪崩过程淬灭，一方面能将雪崩抑制从而保护器件，另一方面可以有效地检测光子。目前淬灭方式主要分为三种：被动淬灭、主动淬灭、门控淬灭。对于一些已知光子到达时间的应用，需要用到门控淬灭，如量子通信、量子密钥分发(qkd)；对于光子到达时间未知的应用，需要用到被动和主动淬灭，如激光测距、激光雷达。被动淬灭更适合集成制备spad阵列，主动淬灭spad的计数率性能会更好。但每一种淬灭方式都有其特定的电路结构，一个spad往往固定一种淬灭方式，在特定的应用中使用，大大增加了探测器的制作成本，具有局限性。现有技术存在spad使用模式单一、兼容性差、集成度低等技术问题。
4.雪崩信号往往幅值较小，需要通过放大电路和甄别电路将其提取出来，传统的单光子探测系统使用的都是高速比较器，直接将放大后的雪崩信号转换成ttl信号，在很多实验环境中，放大器的屏蔽性做不了最佳，难免将干扰信号进行放大，从而将高幅值的干扰信号提取出来，形成误计数。现有技术存在精度低、误计数高、可靠性差等不足之处。
5.为了克服上述现有技术的缺陷以及应对科技快速发展的需求，亟需设计一种多模式的单光子雪崩二极管淬灭电路和高精度读出电路。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于克服现有技术存在的单光子探测器应用单一、兼容性差、噪声高、集成度低的技术问题，提供一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.本发明设计了一种多模式转换的淬灭电路，主要包括：单光子雪崩二极管，被动淬灭模块、主动淬灭模块、门控淬灭模块。
9.其中被动淬灭是自由运行单光子探测的基本方法，也是最简单的雪崩淬灭方式。被动淬灭有两种模式，一种是“电压模式”，一种是“电流模式”，区别就在于采样电阻与淬灭电阻在单光子雪崩二极管的同一边还是两边，本发明采用电流模式，通过单光子雪崩二极管串联大电阻实现淬灭。在单光子雪崩二极管的阴极串联一个大电阻实现雪崩淬灭，称为淬灭电阻；在阳极串联一个小电阻，称为采样电阻，通常为50ω，作为采样电阻提取雪崩信号，通过按键进行控制该模式的运行。在“电流模式”中，单光子雪崩二极管阳极由于雪崩电流直接快速流过采样电阻，会使得雪崩前沿更快。由于spad是容性元件，内部含有结电容，每次产生雪崩效应后，电路通过淬灭电阻给电容充电，单光子雪崩二极管两端的偏压逐渐恢复至原始偏压来进行下一次探测。雪崩过程中，采样电阻上得到与雪崩电流形状相同的电压信号，易于甄别输出。
10.主动淬灭能够避免由于雪崩脉冲恢复缓慢而造成的缺陷，并充分开发单光子雪崩二极管的性能，其基本思路是电路在甄别到雪崩信号的前沿后，通过可控制的偏压源迅速将单光子雪崩二极管的偏压降低至雪崩击穿电压以下，并可以快速恢复，进行下一次探测。本发明是在单光子雪崩二极管的阳极连接一个比较器，当雪崩发生时，阳极电压上升，由比较器检测信号输出，之后连接一个反相放大器把探测信号反向放大，将该信号耦合至单光子雪崩二极管的阴极，使其偏压低于雪崩击穿电压，雪崩得以淬灭，同时在spad阴极串联一个按键来控制。经过一个精确控制的死时间后，偏压得以恢复，本发明中的死时间设置通过延时器来实现。该方法的优势在于快速的状态转换(从淬灭状态到可探测状态)，短暂的雪崩电流持续时间和可精确控制的死时间。
11.上述被动淬灭和主动淬灭主要使用在光子到达时间未知的应用，如激光测距、激光雷达。对于一些已知光子到达时间的应用，单光子探测器可以使用同步的门控模式，该模式能够简单有效地抑制探测器暗计数率和后脉冲概率。本发明在spad的阴极加入门控信号，该信号可以是正弦波或者方波。为了将该信号与spad的偏压信号耦合，需串联一个1uf的电容，电容后方连接一个按键进行控制。同时单光子雪崩二极管是一个容性器件，由于容性响应在spad的阳极会产生微分信号，并且雪崩信号会叠加在微分信号上。抑制微分信号以有效提取雪崩信号是门控模式下雪崩淬灭读出电路的关键。传统的方法主要是自差分和正弦滤波法，但电路结构过于复杂，器件精度过高，难以实现，本发明设计了一种新型读出电路，结构简单，易于实现。
12.该读出电路即双阈值甄别器，主要包括：上阈值甄别电路和下阈值甄别电路。上阈值甄别电路确定低电平设定值，主要由电压比较器、逻辑门、单稳态触发器组成，当雪崩产生时，雪崩信号幅值高于低电平设定值，电压比较器通过反相器提取到雪崩信号，使得单稳态触发器响应，输出暂稳态的高电平信号，送至与门，即第一个条件满足；下阈值甄别电路确定高电平设定值，主要由电压比较器、逻辑门、边沿型d触发器组成，当雪崩产生时，雪崩
信号幅值低于高电平设定值，电压比较器提取到信号，经逻辑门进行电平转换，最后由d触发器输出，送至与门，即第二个条件满足，最终输出高电平信号。在仿真中，d触发器使用74s74d芯片，上升沿触发，控制端和d端均接至vcc，复位端为输入端。单稳态触发器使用sn74121n芯片，下降沿触发，rint、rtct和ct端均接至vcc，a2为输入端。
13.具体地说，本发明包括依次连接的信号发生器、单光子雪崩二极管、淬灭电路和双阈值甄别电路；
14.淬灭电路包括并联的被动淬灭电路、主动淬灭电路和门控淬灭电路。
15.工作机理：
16.当信号发生器的光打入时，单光子雪崩二极管的阳极产生雪崩信号，淬灭电路分成被动淬灭电路、主动淬灭电路和门控淬灭电路三路，再通过双阈值甄别电路实现雪崩信号的提取。
17.当模式选择为被动淬灭，则主要由电阻实现淬灭，再送至甄别电路提取雪崩信号；当模式选择为主动淬灭，则主要通过反相放大器实现淬灭，再甄别电路提取雪崩信号；当模式选择为门控淬灭，则主要通过电容与外部信号进行耦合，从而实现淬灭，即在单光子雪崩二极管阴极连接信号发生器，再送至甄别电路提取雪崩信号。双阈值甄别电路30主要由触发器和门电路实现。
18.本发明具有下列优点和积极效果：
19.①
本发明电路元器件常规，版图面积小，噪声干扰低，可以与coms工艺兼容，有利于系统集成。
20.②
传统的单光子探测器是单一的淬灭方式，只能运用在某一种特殊领域；本发明将多种淬灭方式相结合，实现自由运行模式和门控模式的转换，使其应用在多种领域，提高单光子探测器的兼容性和广泛性。
21.③
传统的单光子探测器使用常规的比较器用于雪崩信号提取，能够提取幅值大于某一设定阈值的信号；本发明的双阈值甄别电路能够确定到某一阈值段，将幅值在设定的阈值段内的信号提取出来，不仅能将幅值较低的噪声信号滤除，也能将幅值较高的干扰信号(放大器引入的噪声)排除，进一步提高了系统的准确性，抗干扰能力。
22.④
可靠性高，本发明结构简单，易于实现，已经搭建了仿真电路图，实现了功能验证，和理论值相符；器件均为使用频率较高的芯片，易于购买，成本较低。电路功耗较低，可长时间使用，单光子探测器寿命较长。
23.⑤
实用性强，本发明使得单光子探测器体积缩短，可便于携带；同时误计数较低，系统精度高，可在多种不同的环境下工作。
附图说明
24.图1是本发明的结构方框图；
25.图2是本发明的结构示意图；
26.图3是本发明的电路图；
27.图4是被动淬灭电路仿真结果图；
28.图5是主动淬灭电路仿真结果图；
29.图6是门控淬灭电路仿真结果图；
30.图7是双阈值甄别电路仿真结果图。
31.图中：
32.00—信号发生器；
33.10—单光子雪崩二极管(spad)；
34.20—淬灭电路，
35.21—被动淬灭电路，22—主动淬灭电路，23—门控淬灭电路；
36.30—双阈值甄别电路；
37.pv1、pv2—第1、2脉冲信号源，用于模拟自然环境中的光子信号；
38.v0、v1、v2—第0、1、2直流电源；
39.vcc—外部偏压电源，一般比击穿电压大1-2伏；
40.vdd—元器件供电电源；
41.a1—延时器；
42.s1、s2......s6—第1、2......6开关；
43.r0、r1......r8—第0、1......8电阻；
44.c0、c1、c2—第0、1、2电容；
45.cv1、cv2、cv3—第1、2、3电压比较器；
46.ov1—反相放大器；
47.n1、n2......n5—第1、2......5反相器；
48.u1a—d触发器；
49.u2—单稳态触发器；
50.and—逻辑门与门；
51.out—系统输出。
具体实施方式：
52.下面结合附图和实施例详细说明。
53.一、总体
54.如图1、2、3，本发明包括依次连接的信号发生器00、单光子雪崩二极管10、淬灭电路20和双阈值甄别电路30；
55.淬灭电路20包括并联的被动淬灭电路21、主动淬灭电路22和门控淬灭电路23。
56.工作机理：
57.当信号发生器00的光打入时，单光子雪崩二极管10的阳极产生雪崩信号，淬灭电路20分成被动淬灭电路21、主动淬灭电路22和门控淬灭电路23三路，再通过双阈值甄别电路30实现雪崩信号的提取。
58.当模式选择为被动淬灭，则主要由电阻实现淬灭，再送至甄别电路提取雪崩信号；当模式选择为主动淬灭，则主要通过反相放大器实现淬灭，再甄别电路提取雪崩信号；当模式选择为门控淬灭，则主要通过电容与外部信号进行耦合，从而实现淬灭，即在单光子雪崩二极管阴极连接信号发生器，再送至甄别电路提取雪崩信号。双阈值甄别电路30主要由触发器和门电路实现。
59.二、功能部件
60.0、信号发生器00
61.信号发生器00包括前后连接的延时器a1和第2脉冲信号源pv2。
62.其功能是：脉冲信号源pv2其功能是产生脉冲信号，将其当做门控信号，延时器a1主要是为了调整信号的时序，整个信号发生器是在门控模式中作为外部驱动使用。
63.1、单光子雪崩二极管10
64.单光子雪崩二极管10包括第0电阻r0、第0直流电源v0、第0电容c0、第0开关s0和第1脉冲信号源pv1；
65.其连接关系是：第0直流电源vo正极连接第0电阻r0，再连接第0电容co，最后第0电容c0连接第0开关s0的一端，另一端接到第0直流电源v0负极，实现串联关系，第1脉冲信号源pv1的正极连接第0开关s0的正极，第1脉冲信号源pv1负极与第0开关s0负极连接，共同接地。
66.其工作机理是：利用单光子雪崩二极管的雪崩效应机理，开关断开表示没有光子响应，不产生雪崩效应，开关闭合表示有光子到来，产生雪崩效应，第0开关s0和第0电容c0连接端有电流通过。
67.其功能是：是实际单光子雪崩二极管10的等效电路模型，便于仿真分析。
68.2、淬灭电路20
69.1)被动淬灭电路21
70.被动淬灭电路21包括第2电阻r2、第2开关s2和外部偏压电源vcc；
71.其连接关系是：单光子雪崩二极管10的输出端、第2电阻r2、第2开关s2和外部偏压电源vcc依次连接，最后输出连接双阈值甄别电路30的输入端。
72.其工作机理是：通过大电阻进行分压，使得雪崩二极10两端的电压低于击穿电压，单光子雪崩二极管10停止工作，实现淬灭。
73.其功能是：雪崩效应具有自持性，通过大电阻将雪崩淬灭。
74.2)主动淬灭电路22
75.主动淬灭电路22包括第4开关s4、第5开关s5、第6开关s6、第2电容c2、第4电阻r4、第5电阻r5、第6电阻r6、第7电阻r7、第1电压比较器cv1、反相放大器ov1；
76.其连接方式是：单光子雪崩二极管10输出后连接第5开关s5，再连接到第1电压比较器cv1的正向输入端，其反向输入端由第4开关s4、第2电容c2、第4电阻r4依次连接；之后，第1电压比较器cv1的输出通过第5电阻r5连接到反相放大器ov1的反向输入端，其正向输入端由第6开关s6、第5电阻r5、第6电阻r6依次连接；最后反相放大器ov1的输出端连接到单光子雪崩二极管10的阳极，即第3电阻r3连接处。
77.其工作机理是：雪崩发生后，第5开关s5后的电平会升高，通过第1电压比较器cv1产生输出信号，再经过反相放大器ov1，信号被反向放大后耦合在单光子雪崩二极管10的阴极，即电路中第5电阻r0和第0电容c0的连接处；该信号使得单光子雪崩二极管10两端的偏压低于雪崩击穿电压，从而实现淬灭。
78.其功能是：通过反相放大器ov1反向放大，即负反馈机制使单光子雪崩二极管10偏压迅速下降，从而实现淬灭。
79.3)门控淬灭电路23
80.门控淬灭电路23包括：第1电阻r1、第1开关s1和第三开关s3；
81.其连接关系是：信号发生器00的输出端、第1电容c1、第1电阻r1、第1开关s1依次连接，同时并联第3开关s3，最后输出连接单光子雪崩二极管10的输入端。
82.其工作机理是：当信号发生器00产生脉冲信号，通过第1电容c1与外部偏压电源vcc耦合，使得单光子雪崩二极管10两端的电压高于雪崩击穿电压，从而产生雪崩效应；当信号发生器00没有产生脉冲信号的时期，单光子雪崩二极管两端10的电压低于雪崩击穿电压，从而实现雪崩淬灭，第1电阻r1的作用是限流。
83.其功能是：通过信号发生器00控制单光子雪崩二极管10的开关状态，从而实现雪崩淬灭。
84.3、双阈值甄别电路30
85.双阈值甄别电路30包括：第1直流电源v1、第2直流电源v2，第2、3电压比较器cv2、cv3，第1、2......5反相器n1、n2......n5，第8电阻r8，第3电容c3，元器件供电电源vdd，d触发器u1a，单稳态触发器u2和逻辑门与门and。
86.其连接关系是：信号分为两路，第1路信号为第1直流电源v1、第2电压比较器cv2、第1反相器n1、第2反相器n2、单稳态触发器u2依次连接，输出接到逻辑门与门and输入的一端；第2路信号为第2直流电源v1、第3电压比较器cv3、第3反相器n3、第4反相器n4、第5反相器n5、d触发器u1a依次连接，输出接到逻辑门与门and输入的另一端，最后通过逻辑门与门and输出；第8电阻r8和第3电容c3连接到单稳态触发器u2输入引脚上，元器件供电电源vdd连接到d触发器u1a和单稳态触发器u2的电源引脚上。
87.其工作机理是：双阈值甄别器30主要包括上阈值甄别电路和下阈值甄别电路；上阈值甄别电路确定低电平设定值，当雪崩产生时，雪崩信号幅值高于低电平设定值，电压比较器通过反相器提取到雪崩信号，使得单稳态触发器响应，输出暂稳态的高电平信号，送至与门，即第一个条件满足；下阈值甄别电路确定高电平设定值，当雪崩产生时，雪崩信号幅值低于高电平设定值，电压比较器提取到信号，经逻辑门进行电平转换，最后由d触发器输出，送至与门，即第二个条件满足，最终输出高电平信号。
88.其功能是：能够将低幅值的噪声信号和高幅值的干扰信号滤除，提取出特定幅值范围的雪崩信号。
89.三、工作情况
90.三种淬灭方式进行切换：
91.a、闭合第2开关s2为被动淬灭模式，通过第2电阻r2实现淬灭，阻值为kω量级。
92.b、闭合第3、4、5、6开关s3、s4、s5、s6为主动淬灭模式，雪崩发生后，单光子雪崩二极管10阳极电平升高，第1电压比较器cv1输出信号送至双阈值甄别电路30；同时，第1电压比较器cv1的输出信号送至反相放大器ov1，该信号被反向放大后耦合在外部偏压电源vcc的负极，使spad偏压低于雪崩击穿电压，实现主动淬灭，信号结束后，单光子雪崩二极管10偏压恢复，可进行下一次探测。由于spad内部含有结电容，反向脉冲信号通过单光子雪崩二极管10后会在信号上升沿和下降沿分别产生微分响应信号，与雪崩信号幅值相当，会被双阈值甄别器30识别产生误计数；在第1电压比较器cv1反相输入端接入rc电路(第2电容c2和和第4电阻r4)，使得反相输入端在同样的时刻产生与同相输入端同样形状和幅度的电平变化。
93.c、闭合第1、3开关s1、s3为门控淬灭模式，由外部激励信号控制。00为信号发生器，
一般是方波或者正弦波；a1为延时电路，起同步作用；c1为耦合电容；在门控模式中，雪崩信号往往淹没在经过单光子雪崩二极管10产生的容性响应信号中，雪崩信号不易提取；目前主要有两种方案提取雪崩信号，一种是自差分技术，一种是正弦滤波技术；自差分技术是将单光子雪崩二极管10阳极输出信号先通过一个功分器分成两路，其中一路信号被延时一个周期，再将两路信号相减，容性响应信号被互相抵消；再经过放大器放大后，微弱的雪崩信号被提取出来；正弦门控技术把正弦波用作门控信号，由于其频谱较为干净，经过单光子雪崩二极管10后产生的容性响应信号只包含频率为基频和更高次谐波的正弦信号，即可以通过级联的带阻滤波器来滤除，经滤波、放大、滤波过程后，雪崩信号易被提取。
94.以上两种方法精度要求较高，实施成本较大。本发明通过双阈值甄别电路30能直接提取雪崩信号，结构简单，成本较低。如图3，第3、4直流电源v3、v4分别为上阈值电压和下阈值电压，确定信号提取的幅值范围，一般为百毫伏。雪崩信号幅值大于上阈值电压，信号通过第2电压比较器cv2锁定，再通过第1反相器n1和第2反相器n2，将信号整形，最后通过单稳态触发器u2产生高电平信号；雪崩信号幅值小于下阈值电压，信号通过第3电压比较器cv3输出低电平，再通过门第3、4、5反相器n3、n4、n5将信号反转，送至d触发器u1a产生高电平信号；d触发器u1a和稳态触发器u2同时输出高电平信号，再通过一个逻辑门与门and输出，把雪崩信号提取出来。稳态触发器u2的反相输出端连接至d触发器u1a的时钟端，同步工作，互相联系。
95.四、具体实施步骤：
96.1、依据图3，各功能部件的参数(规格型号及大小)选取如下：
97.第1、2脉冲信号源pv1、pv2选用pulse_voltage，pv1、pv2参数设置相同：初始值为0v，脉冲值为1v，脉冲宽度100ps，周期4ns。
98.第0、1、2直流电源v0、v1、v2选用dc_power，v0电压设置78v，v1电压设置100mv，v2电压设置200mv。
99.外部偏压电源vcc选用power_sources-vcc，电压在自由运行模式设置80v，在门控模式设置75v。
100.元器件供电电源vddpower_sources-vdd，电压设置为5v。
101.延时器a1选用delay，延时设置15ns。
102.第0、1、2......6开关s0、s1、s2......s6选用spst，单刀单掷开关。
103.第0、1......8电阻r0、r1......r8选用resistor，参数设置r0阻值2kω，r1阻值50ω，r2阻值47kω，r3阻值50ω，r4阻值1kω，r5阻值2kω，r6阻值2kω，r7阻值6kω，r8阻值1kω。
104.第0、1、2电容c0、c1、c2选用capacitor，参数设置c0容值0.2pf，c1容值500pf，c2容值0.2pf。
105.第1、2、3电压比较器cv1、cv2、cv3选用comparator_virtual cv1、cv2、cv3参数设置相同，正电源电压5v，负电源电压0v，拉电阻75ω，灌电阻75ω，回转率5m v/s。
106.反相放大器ov1选用opamp_3t_virtual ov1参数设置正电压摆幅12v，负电压摆幅-12v，输入电阻10mω，输出电阻10ω。
107.第1、2......5反相器n1、n2......n5选用not，具体型号可选用sn74lv1t04。
108.d触发器u1a选用sn74s74d。
109.单稳态触发器u2选用sn74121n。
110.逻辑门与门and选用and2，具体型号可选用sn74ac08。
111.2、方法
112.①
外部偏压电源vvc和门控脉冲加载到单光子雪崩二极管10的阴极，当设置为自由运行模式时，外部偏压电源vcc要略大于击穿电压v，当设置为门控模式时，外部偏压电源vcc要略小于v。元器件供电电源vdd为芯片的供电电压，均为5v。
113.②
设置单光子雪崩二极管10的模型参数，主要为电容c和电阻r。
114.③
按下第2开关s2，模式切换为自由运行被动淬灭，仿真结果如图4所示，雪崩信号较为明显，恢复时间大概300ns，时间较长，探测效率较低，但依靠着结构简单，成本较低的优势，一般应用于常规的测距仪中。
115.④
按下第4、5、6开关s4、s5、s6，模式切换为自由运行主动淬灭，仿真结果如图5所示，形状与被动淬灭较为相似，但恢复速度明显较快，只需2ns，多使用在激光雷达、荧光检测等高精度仪器中。
116.⑤
按下第1、3开关s1、s3，模式切换为门控淬灭模式，仿真结果如图6所示，由于容性响应，雪崩信号被门控信号的高次谐波所淹没，其幅值较小，可以通过双阈值甄别电路30提取出雪崩信号。
117.⑥
由于仿真软件无法使用高速芯片模型，不能满足纳秒级脉宽的提取。
118.3、结果
119.本发明使用相同功能的实际元器件74s74d和sn74121n芯片代替，实现其功能。使用正弦波代替雪崩信号，设置上下阈值分别为150mv和250mv，正弦波幅值依次设置为100mv、200mv和300mv，仿真结果如图7所示，正弦波幅值在右边坐标轴显示，雪崩信号提取在左边坐标轴显示。由图可知，只有200mv时才会输出高电平信号，即能提取幅值在上下阈值之间的信号。实际操作中，先观察雪崩信号的幅值，设置好合适的上下阈值，可以能方便地提取出雪崩信号。

技术特征：
1.一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：包括依次连接的信号发生器(00)、单光子雪崩二极管(10)、淬灭电路(20)和双阈值甄别电路(30)；淬灭电路(20)包括并联的被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)；当信号发生器(00)的光打入时，单光子雪崩二极管(10)的阳极产生雪崩信号，淬灭电路(20)分成被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)三路，再通过双阈值甄别电路(30)实现雪崩信号的提取。2.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的被动淬灭电路(21)包括第2电阻(r2)、第2开关(s2)和外部偏压电源(vcc)；其连接关系是：单光子雪崩二极管(10)的输出端、第2电阻(r2)、第2开关(s2)和外部偏压电源(vcc)依次连接，最后输出连接双阈值甄别电路(30)的输入端；通过大电阻进行分压，使得单光子雪崩二极管(10)两端的电压低于击穿电压，单光子雪崩二极管(10)停止工作，实现淬灭。3.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的主动淬灭电路(22)包括第4开关(s4)、第5开关(s5)、第6开关(s6)、第2电容(c2)、第4电阻(r4)、第5电阻(r5)、第6电阻(r6)、第7电阻(r7)、第1电压比较器(cv1)、反相放大器(ov1)；其连接方式是：单光子雪崩二极管(10)输出后连接第5开关(s5)，再连接到第1电压比较器(cv1)的正向输入端，其反向输入端由第4开关(s4)、第2电容(c2)、第4电阻(r4)依次连接；之后，第1电压比较器(cv1)的输出通过第5电阻(r5)连接到反相放大器(ov1)的反向输入端，其正向输入端由第6开关(s6)、第5电阻(r5)、第6电阻(r6)依次连接；最后反相放大器(ov1)的输出端连接到单光子雪崩二极管(10)的阳极，即第3电阻(r3)连接处；雪崩发生后，第5开关(s5)后的电平会升高，通过第1电压比较器(cv1)产生输出信号，再经过反相放大器(ov1)，信号被反向放大后耦合在单光子雪崩二极管(10)的阴极，即电路中第5电阻(r0)和第0电容(c0)的连接处；该信号使得单光子雪崩二极管(10)两端的偏压低于雪崩击穿电压，从而实现淬灭。4.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的门控淬灭电路(23)包括：第1电阻(r1)、第1开关(s1)和第三开关(s3)；其连接关系是：信号发生器(00)的输出端、第1电容(c1)、第1电阻(r1)、第1开关(s1)依次连接，同时并联第3开关(s3)，最后输出连接单光子雪崩二极管(10)的输入端；当信号发生器(00)产生脉冲信号，通过第1电容(c1)与外部偏压电源(vcc)耦合，使得单光子雪崩二极管(10)两端的电压高于雪崩击穿电压，从而产生雪崩效应；当信号发生器(00)没有产生脉冲信号的时期，单光子雪崩二极管(10)两端的电压低于雪崩击穿电压，从而实现雪崩淬灭，第1电阻(r1)的作用是限流。5.根据权利要求1所述的一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，其特征在于：所述的双阈值甄别电路(30)包括：第1直流电源(v1)、第2直流电源(v2)，第2、3电压比较器(cv2、cv3)，第1、2......5反相器(n1、n2......n5)，第8电阻(r8)，第3电容(c3)，元器件供电电源(vdd)，d触发器(u1a)，单稳态触发器(u2)和逻辑门与门(and)；
其连接关系是：信号分为两路，第1路信号为第1直流电源(v1)、第2电压比较器(cv2)、第1反相器(n1)、第2反相器(n2)、单稳态触发器(u2)依次连接，输出接到逻辑门与门(and)输入的一端；第2路信号为第2直流电源(v1)、第3电压比较器(cv3)、第3反相器(n3)、第4反相器(n4)、第5反相器(n5)、d触发器(u1a)依次连接，输出接到逻辑门与门(and)输入的另一端，最后通过逻辑门与门(and)输出；第8电阻(r8)和第3电容(c3)连接到单稳态触发器(u2)输入引脚上，元器件供电电源(vdd)连接到d触发器(u1a)和单稳态触发器(u2)的电源引脚上；双阈值甄别器(30)主要包括上阈值甄别电路和下阈值甄别电路；上阈值甄别电路确定低电平设定值，当雪崩产生时，雪崩信号幅值高于低电平设定值，电压比较器通过反相器提取到雪崩信号，使得单稳态触发器响应，输出暂稳态的高电平信号，送至与门，即第一个条件满足；下阈值甄别电路确定高电平设定值，当雪崩产生时，雪崩信号幅值低于高电平设定值，电压比较器提取到信号，经逻辑门进行电平转换，最后由d触发器输出，送至与门，即第二个条件满足，最终输出高电平信号。

技术总结
本发明公开了一种新型的单光子雪崩二极管淬灭和读出电路，属于弱光探测领域。本发明包括依次连接的信号发生器(00)、单光子雪崩二极管(10)、淬灭电路(20)和双阈值甄别电路(30)；淬灭电路(20)包括并联的被动淬灭电路(21)、主动淬灭电路(22)和门控淬灭电路(23)；当信号发生器(00)的光打入时，单光子雪崩二极管(10)的阳极产生雪崩信号，淬灭电路(20)分成三路，再通过双阈值甄别电路(30)实现雪崩信号的提取。本发明具有：


技术研发人员：石铭 张伟民 周冰玉 侯金 杨春勇 倪文军 龙浩
受保护的技术使用者：中南民族大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/9