APD单光子计数的主动抑制系统

关键词：APD；主动抑制；死区时间；ECL 电平；CPLD
中图分类号：TN911.74⁃34；TH776
文献标识码：A
文章编号：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.北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192； 2.北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心，北京 100192；
3.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100083）
摘 要：设计了一种主动抑制系统，用以控制 APD 在单光子计数检测时的死区时间。该系统主要利用 ECL（射随耦合
在 便 携 设 备 及 各 种 军 事 上 ，随 着 科 技 的 进 步 ，这 些 应 用 是发展的趋势 。 [4⁃5]
APD 工作在雪崩击穿电压之上即盖革模式时，才能 够检测到单个光子。但 APD 长时间工作在盖革模式 下，任何光子的吸收都会产生自侍雪崩，从而导致 APD 永 久 性 损 坏 。 [6] 因 此 需 要 对 APD 工 作 电 压 进 行 抑 制 控 制。对 APD 电压控制就会导致死区时间的出现，死区 时间对探测效果的影响主要体现在光子计数分布的改 变以及光子速度频率上限的减小上。司马博羽等研究 表明[3]，死区时间会使探测器输出的光子计数值减小，其 分 布 会 更 加 集 中 ，并 且 死 区 时 间 越 大 ，入 射 光 子 速 率 越 高，这种效应就越明显。因此，应将 APD 的死区时间控 制的越小越好。
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 de⁃ lay circuit. Using CPLD set up the delay circuit，two delay pulses are output to the active⁃quench circuit and fast reset circuit re⁃ spectively 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.
逻辑）电平电路对雪崩脉冲进行快速甄别从而判断光子到来与否，再将比较器输出的脉冲通过整形处理输出给延时电路，利
用 CPLD 搭建延时电路，输出两路延时脉冲，两路延时脉冲分别输出给主动抑制电路和快恢复电路，以完成 APD 死区时间的
控制。此主动抑制系统，有效地将死区时间缩短在 45 ns；将光子计数率提高到 20 MHz。
（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；
2014 年 2 月 1 日 第 37 卷第 3 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
Feb. 201制系统
文 超 ， 1，2 郭阳宽 ， 1，2 祝连庆 ， 1，2 那云虓 ， 1，2 孟 浩 ， 1，2 常海涛 3
收稿日期：2013⁃10⁃08 基金项目：北 京 市 教 育 委 员 会 科 技 计 划 重 点 项 目
（KZ201010772032）；北 京 市 教 委 面 上 项 目 （SQKM201211232007）“；光电信息与仪器” 北京市工程研究中心（GD2011001）；北京市 教委科技面上项目（KM201311232005）
Keywords：APD；active⁃quenching；dead time；ECL level；CPLD
0引言
单光子计数技术是一种检测微光的重要方法，在医 疗仪器、大气污染、分子生物学以及光子统计测量 等 [1] 领 域有着广泛的应用。单光子探测器件有很多，例如光电 倍 增 管 、雪 崩 光 电 二 极 管 、雪 崩 二 极 管 阵 列 和 电 子 增 强 CCD 等[2]；其中光电倍增管应用较多、技术成熟，其外围 电路简单，探测效果好，但其外形体积大、负高压源使其 在小型化设备上应用受到了限制。雪崩光电二极管 （Avalanche Photo Diode，APD），具 有 探 测 灵 敏 度 高 、暗 电 流 低 、体 积 小 、功 耗 低 和 集 成 度 高 等 优 点 [3]，可 以 应 用