CN103728030A

CN103728030A - Apd温度自适应近红外单光子探测装置

Info

Publication number: CN103728030A
Application number: CN201310722451.1A
Authority: CN
Inventors: 张战盈; 徐赤东; 纪玉峰; 余东升; 方蔚恺; 张伟丽
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了APD温度自适应近红外单光子探测装置，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接；雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块安装在外壳的内腔；雪崩光电二极管APD嵌入外壳的前端。本发明通过直流偏压温度跟随电路，保证温度变化时APD增益的稳定。

Description

APD温度自适应近红外单光子探测装置

技术领域

本发明涉及高速量子探测和灵敏光电探测领域，尤其涉及一种APD温度自适应近红外单光子探测装置。

背景技术

传统上，进行单光子探测的主要器件是光电倍增管和雪崩光电二极管(APD)。对于紫外和可见光，光电倍增管具有很好的响应度、极高的时间分辨率和很小的暗电流，非常适合该波段的单光子探测。但是它对波长超过1微米的光的探测效率很低(小于1％)，这使得它在红外测量领域几乎没有实用价值。雪崩光电二极管APD是一种高增益的光电探测器件，可以应用于近红外波段的探测。

雪崩光电二极管APD是一种P-N结型的光检测二极管，利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测灵敏度。当雪崩光电二极管APD加上足够高的反向偏压，即工作在反向击穿电压附近时，受到光照就会在吸收层产生光生载流子，这些载流子继而注入倍增层。光生载流子在倍增层从强电场中获得足够的能量，能够碰撞晶格原子使其电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场作用下加速并再次与晶格原子发生碰撞产生更多的电子空穴对。这种碰撞电离现象循环发生，像雪崩一样，使光电流在其内进行倍增，形成可被稳定探测的正比于光照强度的电流。

雪崩光电二极管APD的内部增益对温度很敏感，随着环境温度发生变化，雪崩光电二极管APD的增益会发生温度漂移现象，引起测量精度的恶化。当雪崩光电二极管APD温度升高时，由热激发所产生的载流子数目也将增加，这部分载流子同样获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得P-N结上的场强降低，从而使雪崩光电二极管APD的增益降低；反之当雪崩光电二极管APD的温度降低时，其增益将增加。

目前通常使用的雪崩光电二极管APD的响应度一般在1A／W以下。而响应度在1A／W以上的雪崩光电二极管APD，单光子测量使用时温度漂移现象会更加严重，由于这种雪崩光电二极管APD是生物发光、大气探测等超高灵敏探测领域所必须的，因此在使用过程中，需要有技术方法保持雪崩光电二极管APD的增益不变。目前的技术方法一种是利用半导体技术制作恒温装置，使雪崩光电二极管APD在工作时保持温度不变，这种方法对***的回馈电路要求很高，且结构复杂，功耗高，体积庞大，不便安装使用；另一种是通过单片机采集温度传感芯片或者热电阻的数值，经过单片机内部程序计算，进而引脚输出控制信号，控制高压芯片调整APD直流偏压，这种方法不仅需要硬件设计，还需要相应软件处理，电路复杂，实现困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种APD温度自适应近红外单光子探测装置，能够实现近红外单光子测量，并利用普通二极管前向导通电流不变时，导通压降随温度的上升而近似线性降低的特性，修正温度变化时雪崩光电二极管APD的直流偏压，实现温度的自适应，结合机械机构的设计，保证其单光子探测时增益的稳定，温度适应性好，电路简单，体积小，便于安装使用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：APD温度自适应近红外单光子探测装置，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳；

直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；

雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接；

雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；

雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；

外壳包括两端由端盖封闭的筒形壳体；

直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块均安装在筒形腔体内；

雪崩光电二极管APD嵌在外壳的端盖上。

作为优选，雪崩光电二极管APD的响应度在1A／W及以上。

作为优选，直流偏压温度跟随电路包括恒流源、二极管D1、电压跟随电路和电压放大电路；恒流源输出分别连接二极管D1阳极和电压跟随电路，二极管D1阴极接地；电压跟随电路与电压放大电路连接。

作为优选，电压保护电路包括二极管D2，放大器U3和可调电阻R6；放大器U3的正输入端接可调电阻R6的可调端，放大器U3的负输入端和输出端连接二极管D2阴极，组成电压跟随器。

作为优选，信号放大输出电路包括放大电路和比较电路；放大电路为两级放大结构，第一级放大电路使用放大器U4对APD信号进行初步放大，第二级放大电路使用三极管Q1对APD信号进行进一步的放大；比较电路中比较器U5正输入端连接R11可调节端，设定比较电压阈值，与放大电路输出的电压进行比较，最终输出TTL电平的光子信号。

作为优选，外壳包括前盖、后盖、壳体；壳体为两端开口的筒形件，前盖封闭安装在壳体前端开口处，雪崩光电二极管APD嵌入在前盖端面，后盖封闭安装在壳体后端开口处。

作为优选，前盖的外端面设有散热沟槽。

作为优选，二极管D1紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。

作为优选，二极管D1通过界面导热材料紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。

作为优选，外壳和端盖由导热性能好的铝材制成。

本发明的有益效果是：

利用普通二极管的温度特性，设计了直流偏压温度跟随电路，保证雪崩光电二极管APD的增益在温度变化时基本不变，可以很好的应用于各种环境；

采用了直流偏压保护电路，可以防止意外情况造成的电压突然升高，保护探测器电路；

采用了温度自适应电路来保证雪崩光电二极管APD的增益稳定，有效减小探测器尺寸，大大降低安装难度，便于使用。

采用了相应外壳设计，便于探测模块散热，尽快达到热平衡，有效降低热噪声。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的结构示意图；

图2为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的前盖结构图；

图3为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的底板结构图；

图4为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的壳体结构图；

图5为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的电路原理框图；

图6为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的直流偏压温度跟随电路的电路原理图；

图7为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的直流偏压保护电路的电路原理图；

图8为本发明APD温度自适应近红外单光子探测装置实施例的信号放大输出电路的电路原理图。

图1中，1-前盖，2-APD，3-二极管D1，4-底板，5-连接件，6-后盖7-支柱，8-壳体，9-电路板，10-DC-DC高压模块，11-散热槽，12-条形凹槽。

具体实施方式

一种响应度在1A／W以上的APD近红外单光子探测器，由雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳组成。

其中雪崩光电二极管APD响应度在1A／W以上。

在图5中，直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；

DC-DC高压模块输出端通过电阻R1与雪崩光电二极管APD的阴极连接；

雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；

雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；

直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路安装在电路板9上，并通过支柱7固定在底板4上，底板4则装在方筒形外壳的壳体8内腔中。

DC-DC高压模块设置在电路板下方的底板上。

方筒形外壳的壳体8的前后两端分别用前盖1，后盖6封闭。雪崩光电二极管APD嵌在前盖1的中央。直流偏压温度跟随电路中二极管D1紧贴雪崩光电二极管APD后部安装，中间接触部分涂有界面导热材料，如导热硅脂，使二极管D1温度和雪崩光电二极管APD温度保持一致。

前盖1，后盖6，底板4，壳体8，支柱7均用铝材制作，便于探测器内部热量散出，尽快达到热平衡，利于温度稳定。

在图2中，为加快雪崩光电二极管APD散热，前盖1前端加工有散热槽11，散热槽在APD周围没有完全贯通，形成平面。

在图3中，底板3上挖有对称的条形凹槽12，在保证散热前提下可以有效减轻重量。DC-DC高压模块安装在底板4上。电路板9通过支柱7与底板4连接。连接件5为DB9接头，除了电源接线和信号接线外，还可以引出多根测试线。连接件5通过螺钉固定在后盖6上，通过导线与DC-DC高压模块、雪崩光电二极管APD连接。

前盖1、后盖6与底板4的两端连接，底板4还用螺钉固定在壳体8侧壁上。

在图4中，壳体8采用截面为矩形的整体结构，减少了连接件数量，且可有效防止探测器安装时的应力变形。具体制作可直接选用相应尺寸铝型材作为壳体。

图6中，直流偏压温度跟随电路包括顺次连接的恒流源、二极管D1、电压跟随电路、电压放大电路。直流偏压温度跟随电路通过对二极管D1温度变化时的导通压降变化进行差分放大，输出电压信号控制DC-DC高压模块的直流偏压输出，实现DC-DC高压模块输出直流偏压的温度跟随。恒流源输出端连接二极管D1阳极和电压跟随电路，二极管D1阴极接地。电压跟随电路包括放大器U1，放大器U1的输出端与电压放大电路的输入端连接。

电压放大电路包括放大器U2，电阻R3和可调电阻R4、R5。放大器U2的正输入端接可调电阻R4可调端，用于设定标准电压。电压放大电路将标准电压与跟随电路跟随的二极管D1导通压降进行差分放大。

如图7，电压保护电路包括二极管D2，放大器U3和可调电阻R6。放大器U3正输入端接可调电阻R6的可调端，负输入端和输出端连接二极管D2阴极，组成电压跟随器。二极管D2的阳极连接DC-DC高压模块输入端。电压保护电路设定的保护电压为R6可调端电压和二极管D2的正向导通电压相加之和。当电压放大电路输出的电压高于电压保护电路设定的保护电压时，二极管D2导通，将输出电压维持在保护电压。

如图8，信号放大输出电路包括放大电路和比较电路。放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路。第一级放大电路包括放大器U4和电阻R8，可调电阻R7，将雪崩光电二极管APD输出的电压信号差分放大后输出给第二级放大电路。第二级放大电路包括三极管Q1，电阻R9，R10，对信号进行进一步的放大，使其信号幅值适合比较器使用。比较电路包括比较器U5，可调电阻R11和电容C1、C2、C3、C4。比较器U5正输入端连接R11可调节端，设定比较电压阈值，与放大电路输出的电压进行比较，最终输出TTL电平的光子信号，通过连接件6输出。

本实施例利用二极管的温度特性，对雪崩光电二极管APD直流偏压进行温度补偿，结合机械机构设计，使雪崩光电二极管APD工作在稳定增益条件下进行单光子探测，与传统的恒温控制模式探测模块和单片机控制模式探测模块相比，使用更加方便且体积减小。本发明使用的机械结构设计，便于探测模块散热，尽快达到热平衡，有效降低热噪声。

本实例使用的元器件按如下选择：

电阻：R1：10kΩ，R2：100Ω，R3：1kΩ，R8：5.1kΩ，R9：2.2kΩ，R10：33Ω，R4：20kΩ可调，R5：20kΩ可调，R6：20kΩ可调，R7：10kΩ可调，R11：10kΩ可调；

电容：C1：1μF，C2：10nF，C3：1μF，C4：10nF；

二极管：D1：1N4148；D2：1N4148；

三极管：Q1：SS9018

运算放大器：U1、U2、U3、U4：均为OP07；

比较器：U5：MAX913。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳；

所述直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；

所述雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接；

所述雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；

所述雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；

所述外壳包括两端由端盖封闭的筒形壳体；

所述直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块均安装在筒形腔体内；

所述雪崩光电二极管APD嵌在外壳的端盖上。

2.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管APD的响应度在1A／W及以上。

3.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述直流偏压温度跟随电路包括恒流源、二极管D1、电压跟随电路和电压放大电路；所述恒流源输出分别连接二极管D1阳极和电压跟随电路，二极管D1阴极接地；电压跟随电路与电压放大电路连接。

4.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述电压保护电路包括二极管D2，放大器U3和可调电阻R6；所述放大器U3的正输入端接可调电阻R6的可调端，放大器U3的负输入端和输出端连接二极管D2阴极，组成电压跟随器。

5.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述信号放大输出电路包括放大电路和比较电路；所述放大电路为两级放大结构，第一级放大电路使用放大器U4对APD信号进行初步放大，第二级放大电路使用三极管Q1对APD信号进行进一步的放大；所述比较电路中比较器U5正输入端连接R11可调节端，设定比较电压阈值，与放大电路输出的电压进行比较，最终输出TTL电平的光子信号。

6.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述外壳包括前盖、后盖、壳体；所述壳体为两端开口的筒形件，前盖封闭安装在壳体前端开口处，所述雪崩光电二极管APD嵌入在前盖端面，后盖封闭安装在壳体后端开口处。

7.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述前盖的外端面设有散热沟槽。

8.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述二极管D1紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。

9.根据权利要求7所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述二极管D1通过界面导热材料紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。

10.根据权利要求1所述的APD温度自适应近红外单光子探测装置，其特征在于，所述外壳和端盖由导热性能好的铝材制成。