CN109100018A - 基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统。其特征是：它由偏压发生器模块1、偏压控制模块2、雪崩光电二极管阵列芯片3、光源4、和信号读出和处理模块5组成。本发明可广泛用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统，可用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等应用。属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
雪崩光电二极管是一种半导体光探测器，当运行时，在其上加上一个较高的反向偏置电压后，利用其内部的雪崩击穿效应，可在内部获得较大的增益。当反向偏置电压低于其击穿电压时，雪崩光电二极管工作于线性区域，此时内部增益一般为几十至103；当反向偏置电压高于其击穿电压时，雪崩光电二极管工作于盖格模式(也称单光子模式)，此时内部增益可高达105～106。由于有着较大的内部增益，雪崩光电二极管的灵敏度远高于其它半导体光电二极管，被广泛应用于极微弱光测量如激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等领域。
动态范围是光电探测器的一个重要参数，可定义为最大可测非饱和光信号与最小可测光信号的比值，它决定了探测器所能探测的光信号的功率范围。如果光电探测器的动态范围不足，会很大程度上限制探测系统的准确性和使用范围。比如在光学传感/检测系统中，如果探测器的动态范围不足，可能会导致传感器系统不能检测微弱光信号(有效信号湮没于噪声之中)或者探测器会很容易达到饱和状态(当所测光信号或者环境光信号较强时)，导致其不能读出有效信号，降低了整体系统的准确性；在光时域反射(OTDR)系统中，所用光电探测器的动态范围直接决定了OTDR系统所能检测的光纤长度及其盲区。由此可见，在光信号的探测过程中，为了能够将所测光信号的强光和弱光部分进行正确转换和读出，提高探测系统的准确性和测量范围，需要尽可能提升光电探测器的动态范围和灵敏度。
为了提高基于雪崩光电二极管的微弱光探测器的动态范围，张益昕等在2014年公开了一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法(中国公开专利CN201410326414.3)，他们在门控模式下，根据测量过程中所得的探测结果，对运行于单光子模式下的雪崩光电二极管的门控电压进行调整，提升探测系统的最大不饱和探测效率以实现高动态范围的弱光探测。此外，姜先刚等在2009年公开了自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法(中国公开专利CN200810046356.3)；龚萍等在2015年公开了一种提高光时域反射计动态范围的信号检测(中国公开专利CN201510440108.7)；赵毅强等在2018年公开了自调节脉冲激光测距系统及方法(中国公开专利CN201710729845.8)；以提升雪崩光电二极管探测器的动态范围。以上几种设计都是在光电探测过程中，通过反馈系统，判断系统是否达到饱和状态，然后再对雪崩二极管的反向偏置电压进行调整以达到合适的光强探测范围。
以上所述的这些系统存在的问题有：
1.所用的雪崩光电二极管只工作于一个模式(线性模式或者单光子探测模式)，使得探测系统无法对从单光子量级到较强的光信号进行有效光电转换，限制了探测系统的动态范围。
2.系统探测速度受到较大限制。在探测过程中，需要对雪崩二极管的反向偏置电压进行多次调整，而由于雪崩二极管一般偏置于较高电压，同时要求极小的偏压纹波，因此偏置电压输出端一般会外加多种滤波器以减少噪声，这会使得系统对偏置电压的调整需要较长时间。此外，在偏压调整的过程中反馈系统需要对所测信号进行识别，计算以及判断，这进一步增加了系统探测时间。由以上可知，系统的探测速度会受到很大程度影响，限制了其在连续光信号探测以及快速光电探测系统中的应用。比如，在雪崩光电二极管常应用于的荧光探测系统中，为了减小光漂白(也称光致褪色，photobleaching)的影响，避免对荧光团的光化学破坏，曝光和探测时间一般非常短，以上所述的设计显然无法应用于此领域。
为了解决以上问题，本发明公开了一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统，可广泛用于激光测距，DNA测序，量子密匙分配，激光雷达以及医学成像等弱光探测领域。它采用雪崩光电二极管阵列芯片作为感光器件，雪崩光电二极管阵列芯片中的各个雪崩光电二极管在偏压发生器模块和偏压控制模块的控制下分别工作于不同的工作模式及不同内部增益的条件下，后端读出和信号处理电路根据前端所连接的光电二极管的偏压和工作区域而定，可为前端放大器(TIA)或淬灭电路和光子计数器。通过这种方式，所述光电探测系统可实现对功率大范围变化的光信号的探测，极大的提升了探测器的动态范围(从单光子量级的光信号至较强光信号)。此外，在探测过程中，雪崩光电二极管阵列芯片中的各个探测器的偏压不变，无需额外调整，并且雪崩光电二极管阵列芯片中的各个探测器可同时转换光信号输出电信号，使得整体系统可连续，快速的对入射光信号进行探测和输出。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围光电探测系统。
本发明的目的是这样实现的：
所述系统由偏压发生器模块1、偏压控制模块2、雪崩光电二极管阵列芯片3、光源4、和信号读出和处理系统5组成。偏压发生器模块1产生高电压，并通过偏压控制模块2输出雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管所需的反向偏置电压，偏压控制模块2有多个输出控制模块分别用于控制每个输出电压，其输出电压的数量与雪崩光电二极管阵列芯片3中雪崩光电二极管的数目相同；雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管被偏压控制模块2的输出电压偏置于不同的工作状态，用于探测从光源4发出的不同强度的入射光；雪崩光电二极管阵列芯片3中各个雪崩光电二极管的输出连接至信号读出和处理系统5，信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出信号进行读出和处理，最后给出测量结果。
偏压发生器模块1是一个电压转换模块，其将输入的电压转换为适合于后端所用雪崩光电二极管的直流电压并输出，用于偏置雪崩光电二极管。其结构可以是DC-DC转换电路或者是AC-DC转换电路的任何一种，所用结构由其输入的电压类型以及大小决定。偏压发生器模块1的输入可以是标准220V/110V交流电压，台式直流电压源电压中的一种，也可以是在便携仪器设备中所使用的标准USB 5V电压或者电池输入电压的一种。偏压发生器模块1的输出为直流电压，范围能够覆盖所偏置的光电二极管的各个工作模式，包括线性模式和单光子模式。
偏压控制模块2可将偏压发生器模块1输出的单通道直流电压分成多通道并且分别对各个通道输出电压进行控制，输出多通道可控直流电压，用于偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的每个雪崩光电二极管。偏压控制模块2的输出通道数与偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管数目相同。偏压控制模块2的各通道输出电压根据偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管的电压特性进行设置，使偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的各个光电二极管工作于不同模式以及不同内增益条件下，用于不同强度的入射光信号的探测。
雪崩光电二极管阵列芯片3中的雪崩光电二极管可以是基于硅(Silicon)，锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的雪崩光电二极管的任何一种。雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管数目及其偏置电压可根据所探测信号的光强变化范围、所用光电二极管的电压特性以及信噪比性能来决定。雪崩光电二极管阵列芯片3中的雪崩光电二极管受偏压控制模块2的输出电压控制，工作于不同的模式和不同内部增益下，在接收从光源4发出的不同强度的入射光后，将光信号转换为电信号并同步输出至信号读出和处理系统5。
光源4可以是荧光探测系统中的荧光激发光信号，光时域反射系统中的瑞丽反射光信号，通信系统中的通信信号，光纤传感器系统中的干涉信号以及表面等离子共振探测系统的反射信号等各种光信号的一种。
信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个雪崩光电二极管的输出信号进行读出和处理。信号读出和处理系统5的输入以及读出电路的数目与雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管的数目相同。信号读出和处理系统5中针对雪崩光电二极管阵列芯片3中工作于不同模式的雪崩光电二极管有着不同的读出电路，工作于线性模式的雪崩光电二极管的输出将连接至前端放大电路(TIA)，输出数据为光转换电压；工作于单光子模式的光电二极管的输出将连接至(主动或被动)淬灭电路和脉冲计数电路，输出为电压脉冲或者是光子计数率。
无论雪崩光电二极管工作于单光子模式还是线性模式，其内部增益随着偏置电压的增加而增加，而噪声也会随着内部增益的增大而增加，因此，雪崩光电二极管的噪声也会随着偏置电压的增加而增加。当其被偏置于较高电压的条件下，内部增益更大，会有着更高的灵敏度，更有利于微弱光的探测，但是由于噪声更大，动态范围受到限制，无法探测强光(易达到饱和输出)；当其被偏置于相对低的偏置电压下时，内部增益相对较小，能够探测较强光信号，但是对于微弱光信号无法识别。
本发明利用雪崩光电二极管阵列芯片作为探测器，通过偏压发生模块和偏压控制模块将阵列中的各个雪崩光电二极管的偏压进行分别调整，使其有着不同的内部增益，工作于不同的模式(线性模式或者单光子探测模式)。阵列中的雪崩光电二极管部分工作于线性模式，部分工作于单光子探测模式，工作同一模式下的光电二极管还会在偏压控制模块控制下工作于不同内部增益的条件下，进一步拓展整体芯片可探测光信号的动态范围。这些工作于不同模式以及不同内部增益下的雪崩光电二极管分别负责对不同强度范围的入射光信号进行探测和光电转换，并且同时输出，以使整个探测芯片以及整体探测系统拥有大动态范围，高速的光电探测能力。
(四)附图说明
图1是基于基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统的结构示意图。由偏压发生器模块1、偏压控制模块2、雪崩光电二极管阵列芯片3、光源4、和信号读出和处理系统5组成。
图2是基于雪崩光电二极管阵列芯片及其偏压控制电路的高动态范围弱光探测系统的实施例示意图。系统是由偏压发生器模块201、偏压控制模块202、雪崩光电二极管阵列芯片203、光源204、和信号读出和处理系统205组成。偏压发生器模块201产生高电压(Vcp_output)，并通过偏压控制模块202输出雪崩光电二极管阵列芯片203中各个光电二极管所需的电压，偏压控制模块202有5个输出控制模块分别用于控制5输出电压(Vbias1～Vbias5)，输出电压的个数与雪崩光电二极管阵列芯片3中光电二极管的数目相同；雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管被偏压控制模块2的输出电压偏置于不同的工作状态，用于探测从光源4发出的不同强度的入射光；雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出连接至信号读出和处理系统5，信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出信号进行读出和处理，最后给出测量结果。
图3是实施例中，偏压发生器模块的示意图，偏压发生器模块所用的是电荷泵(Charge pump)型的电压升压电路。
图4是偏压控制模块及其一个输出通道的偏压控制电路的结构示意图。偏压控制电路由电阻Rc、R1和R2，N型场效应晶体管Q1以及比较器U1组成。
图5是实施例中雪崩光电二极管阵列芯片203以及后端信号读出和处理系统205的结构示意，雪崩光电二极管阵列芯片中，APD1～APD3连接的后端读出模块为前端放大器电路(TIA)输出为光电转换后的电压，APD4～APD5所连接的后端读出和信号处理模块为淬灭电路(可为被动或主动淬灭电路)以及光子计数系统，输出光子计数率。
图6是实施例中，雪崩光电二极管阵列芯片中APD1～APD5的输出与入射光信号的强度的关系示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了基于雪崩光电二极管阵列芯片及其偏压控制电路的大动态范围弱光探测系统的实施例。系统是由偏压发生器模块201、偏压控制模块202、雪崩光电二极管阵列芯片203、光源204、和信号读出和处理系统205组成。偏压发生器模块201产生高电压(Vcp_output)，并通过偏压控制模块202输出雪崩光电二极管阵列芯片203中各个光电二极管所需的偏置电压，偏压控制模块202有5个输出控制模块分别用于控制输出电压Vbias1～Vbias5，输出电压的个数与雪崩光电二极管阵列芯片3中雪崩光电二极管的数目相同；雪崩光电二极管阵列芯片3中的雪崩光电二极管被偏压控制模块2的输出电压偏置于不同的工作状态，用于探测从光源4发出的不同强度的入射光；雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出连接至信号读出和处理系统5，信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出信号进行读出和处理，最后给出测量结果。
其中偏压发生器模块所用的是电荷泵(Charge pump)型的电压升压电路，如图3所示。偏压控制模块如图4所示，下面描述一下偏压控制模块中的一个输出通道的输出控制电路(Bias voltage controller1)的原理，其他的偏压输出通道的控制原理相同。输出控制电路由电阻Rc、R1和R2，N型场效应晶体管Q1以及比较器U1组成。其工作原理为：
在输出控制电路中，Rc用于将偏压控制模块中的各个偏压输出通道隔离，使得各个偏压输出通道可被独立控制。N型场效应晶体管Q1与输出负载并行连接，其功能类似于可变分流器，用于输出电压的调节。R1和R2用于将输出电压降低到可比较的水平，V1，并连接至比较器U1的正向输入端，而调节电平Vref连接至比较器的反向输入端。当V1超过了调节电平Vref，比较器U1就会产生与Vref和V1之间的差成正比的输出电压，N型场效应晶体管Q1就会被偏置以分流输出电流，V_bias1将会下降，V1也随着降低；当V1低于调节电平Vref，比较器U1将会输出低电平，N型场效应晶体管将会被关闭，输出电流将持续的流向负载，V_bias1将会上升，V1也随着上升。通过这个方式，V1就可以被调节为非常接近Vref。而通过设置调节电平Vref，可以改变输出电压V_bias1。输出电压V_bias1与Vref的关系可表示为：
雪崩光电二极管阵列芯片203中雪崩光电二极管的数量为5个(APD1～APD5)，它们在偏压控制模块202的调整下工作于不同的工作模式以及不同的内部增益条件下，以实现对所需测量光信号范围的分别覆盖，APD1～APD5的反向偏置电压Vbias1～Vbias5的大小关系如式(2)所示：
Vbias1<Vbias2<Vbias3<Vbreak<Vbias4<Vbias5 (2)
式中Vbreak为雪崩光电二极管的反向击穿电压，在这样的偏压控制下，APD1～APD3工作于线性模式，APD4～APD5工作于单光子模式。
APD1～APD3连接的后端读出模块为前端放大器电路(TIA)输出为光电转换后的电压，APD4～APD5所连接的后端读出和信号处理模块为淬灭电路(可为被动或主动淬灭电路)以及光子计数系统，如图5所示。当整体探测系统工作时，偏压发生器模块和偏压控制模块为雪崩光电二极管阵列芯片中雪崩光电二极管提供持续稳定的偏置电压。雪崩光电二极管阵列芯片中的各个雪崩光电二极管工作于不同工作模式下，有着不同的内部增益，APD1～APD5的输出与入射光信号的强度的关系如图6所示。当对一定功率的入射光信号进行测量时，只有1个APD输出有效信号，例如：当从光源入射的光信号较微弱时，如果APD5输出有效信号，则APD1～APD4输出信号湮没于本底噪声；当从光源入射的光信号较强时，如APD1输出有效信号，则APD2～APD5将只输出饱和信号。
Claims (6)
1.一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统。其特征是：它由偏压发生器模块1、偏压控制模块2、雪崩光电二极管阵列芯片3、光源4、和信号读出和处理系统5组成。所述系统中偏压发生器模块1产生高电压，并通过偏压控制模块2输出雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管所需的反向偏置电压，偏压控制模块2有多个输出控制模块分别用于控制每个输出电压，其输出电压的数量与雪崩光电二极管阵列芯片3中雪崩光电二极管的数目相同；雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管被偏压控制模块2的输出电压偏置于不同的工作状态，用于探测从光源4发出的不同强度的入射光；雪崩光电二极管阵列芯片3中各个雪崩光电二极管的输出连接至信号读出和处理系统5，信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个光电二极管的输出信号进行读出和处理，最后给出测量结果。
2.根据权利要求1所述的偏压产生模块1，其特征是：偏压发生器模块1是一个电压转换模块，其将输入的电压转换为适合于后端所用雪崩光电二极管的直流电压并输出，用于偏置雪崩光电二极管。其结构可以是DC-DC转换电路或者是AC-DC转换电路的任何一种，所用结构由其输入的电压类型以及大小决定。偏压发生器模块1的输入可以是标准220V/110V交流电压，台式直流电压源电压中的一种，也可以是在便携仪器设备中所使用的标准USB 5V电压或者电池输入电压的一种。偏压发生器模块1的输出为直流电压，范围能够覆盖所偏置的光电二极管的各个工作模式，包括线性模式和单光子模式。
3.根据权利要求1所述的偏压控制模块2，其特征是：偏压控制模块2可将偏压发生器模块1输出的单通道直流电压分成多通道并且分别对各个通道输出电压进行控制，输出多通道可控直流电压，用于偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的每个雪崩光电二极管。偏压控制模块2的输出通道数与偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管数目相同。偏压控制模块2的各通道输出电压根据偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管的电压特性进行设置，使偏置雪崩光电二极管阵列芯片3中的各个光电二极管工作于不同模式以及不同内增益条件下，用于不同强度的入射光信号的探测。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列芯片3，其特征是：雪崩光电二极管阵列芯片3中的雪崩光电二极管可以是基于硅(Silicon)，锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的雪崩光电二极管的任何一种。雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管数目及其偏置电压可根据所探测信号的光强变化范围，所用光电二极管的电压特性以及信噪比性能来决定。雪崩光电二极管阵列芯片3中的雪崩光电二极管受偏压控制模块2的输出电压控制，工作于不同的模式和不同内部增益下，在接收从光源4发出的不同强度的入射光后，将光信号转换为电信号并同步输出至信号读出和处理系统5。
5.根据权利要求1所述的光源4，其特征是：光源4可以是荧光探测系统中的荧光激发光信号，光时域反射系统中的瑞丽反射光信号，通信系统中的通信信号，光纤传感器系统中的干涉信号以及表面等离子共振探测系统的反射信号等各种光信号的一种。
6.根据权利要求1所述的信号读出和处理系统5，其特征是：信号读出和处理系统5对雪崩光电二极管阵列芯片3中各个雪崩光电二极管的输出信号进行读出和处理。信号读出和处理系统5的输入以及读出电路的数目与雪崩光电二极管阵列芯片3中的光电二极管的数目相同。信号读出和处理系统5中针对雪崩光电二极管阵列芯片3中工作于不同模式的雪崩光电二极管有着不同的读出电路，工作于线性模式的雪崩光电二极管的输出将连接至前端放大电路(TIA)，输出数据为光转换电压；工作于单光子模式的光电二极管的输出将连接至(主动或被动)淬灭电路和脉冲计数电路，输出为电压脉冲或者是光子计数率。
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