Abstract-We introducerar den första integrerade aktiva släckningskretsen (I-AQC) som driver en lavinfotodiod (APD) över dess nedbrytningsspänning, för att upptäcka enstaka fotoner. Baserat på I-AQC utvecklade vi en kompakt och mångsidig fotonräkningsmodul som lämpar sig för tillämpningar där mycket svaga optiska signaler måste detekteras, som till exempel foton korrelationsspektroskopi, luminescensmätningar och laserintervall. Prototypfotonräkningsmodulen har dämpningspulser upp till 60 V amplitud, minsta dödtid på mindre än 36 ns, vilket motsvarar en mättad räkningshastighet som överstiger 25 Mcounts/s, användarkontrollerbar avstängningstid, för att minska den afterpulsing effekten, och nanosecond gating förmåga. Effektförlusten är 60 mW i stand-by-läge och modulstorleken är mindre än 1 cm 2 cm. Index Terms-Active-quenching krets (AQC), applikationsspecifik integrerad krets (ASIC), lavinfotodiod (APD), fotodetektionsmodul, fotonräkning, enfotografisk lavindiod (SPAD), enfotografisk detektion. Foto Multiplier Tubes (PMTs) [22], frånvaron av avläsningsbuller, och möjligheten till snabb parallell avläsning, göra en rad av APD mer lämplig än CCDs i många tillämpningar, såsom adaptiv optik [20]. Dessutom kan APD enkelt slås på och stängas av med nanosekundsövergångar, vilket gör att detektorn kan stängas av med lämplig elektronik, synkroniseras till den optiska exciteringen. För detektion av en foton kan APD manövreras antingen i analog-multiplying-regimen, partisk nära men under nedbrytningsspänningen, eller i det så kallade Geiger-läget, ovanför nedbrytningen. I detta dokument kommer vi endast att behandla det senare systemet, där en korrekt elektronisk krets förvränger APD över nedbrytningsspänningen och snabbt släcker lavinströmmen, så snart en divergerande multiplikationsprocess utlöses, t.ex. på grund av absorptionen av en enda foton i det synliga och nära infraröda våglängdsområdet [23]. I litteraturen är en APD som opereras i Geiger-mode känd som single-photon avalanche diod (SPAD). Längden på SPAD:s lavinström måste vara så kort som möjligt av tre huvudsakliga skäl: 1) självupphettning, 2) fångst och 3) optiskt korssamtal. Dessa diskuteras närmare nedan. 1) Överdriven effekt upplösning leder till uppvärmning av dioden och förskjutning av dess nedbrytningsspänning [24]. Den senare effekten orsakar en förändring i detektorns kvanteffektivitet, vilket medför en allvarlig icke-linjär distorsion i fotonräkning. 2) Bärare som deltar i lavinströmmen kan fångas nära korsningen och frigörs därefter och återaktiverar därmed APD [23]. Detta korrelerade efter pulsen, som orsakar icke-linjär förvrängning i räkningen, kan minskas genom att minimera det totala antalet bärare som passerar korsningen under lavin, dvs. dess intensitet och dess varaktighet. 3) Avalanche varmbärare avger sekundära fotoner på grund av Bremsstrahlung och strålningsavkopplingar [25]. Dessa fotoner kan absorberas i närliggande SPADs, vilket utlöser en falsk lavin däri. Sådan optiskt korstal är av största betydelse i en monolitisk uppsättning av SPADs, om en lämplig optisk isolering bland dioderna inte används [26], [27]. Ett enkelt sätt att själv begränsa lavinströmmen är att placera ett högvärdigt motstånd i serie till SPAD och på så sätt sätta upp en så kallad passiv släckning [23]. Fördelen med en sådan konfiguration är att lavinen snabbt är självsläckt inom några få nanosekunder, men på bekostnad av en långsam återhämtning övergång, i mikrosekundsområdet, på grund av herrelösa kapacitanser [23].
Det första arbetet med simulering av SPAD-detektorer REF ] modellerar elektroniken för en aktiv släckningskrets.
An integrated active-quenching circuit for single-photon avalanche diodes
{'venue': 'IEEE Trans. Instrumentation and Measurement', 'journal': 'IEEE Trans. Instrumentation and Measurement', 'mag_field_of_study': ['Physics', 'Computer Science']}