單光子雪崩LED測試

01、單光子雪崩LED

一、SPAD LED

單光子雪崩檢測二極管，簡稱SPAD，是工作在反向擊穿模式下的二極管，用來檢測單個光量子。有趣的是，本來是用來發(fā)光的LED實際上可以用作SPAD。

▲ 圖1.1.1 線性放大與蓋哥模式

并不是所有的LED都可以用作 SPAD，下面測試了這些常見到的各種顏色的LED，它們都無法用作單光子雪崩檢測二極管。在一些網(wǎng)絡資料給出，OPTOELECTRONICS 公司出品的 型號AND114，113 可以用作單光子雪崩檢測二極管。

▲ 圖1.1.2 普通的LED以及AND114LED

二、測試SPAD

下面對于LED用作SPAD的功能進行初步測試。下面這是測試電路。在面包板上將待測試的LED與兩個電阻串聯(lián)在一起。上面的限流電阻R1為1k歐姆，下面用于將反向雪崩電流轉換成電壓的電阻R2為100k歐姆。

▲ 圖1.2.1 SPAD二極管測試電路

緩慢增加反向偏置電壓。調(diào)節(jié)的范圍是從10V到20V之間。在調(diào)節(jié)過程，需要緩慢增加方向電壓，以避免反向擊穿電壓的突然增加，使得待測LED功耗過大，使其燒壞。

動圖顯示了當電壓實際超過了22V之后，LED的單光子雪崩電流信號就會產(chǎn)生了。在電壓達到24V左右的時候，反向電流脈沖就變得非常猛烈了。脈沖幾乎連接在了一起。

▲ 圖1.2.2 反向雪崩電流

檢測到的每一個脈沖是進入LED中的單個光子引起內(nèi)部的雪崩電流信號。不過由此可以看到，LED檢測到光子的效率是很低的。實際產(chǎn)生的光脈沖只是進入光子的非常小的比例。

三、脈沖轉換

為了使用單片機對于輸出脈沖進行測量，下面使用比較器將LED雪崩脈沖進行整形，使其形成單片機可以讀取的方波脈沖。實驗電路如下圖所示。

由于視頻中的實驗者沒有給出具體的電路，圖中的電路圖是根據(jù)左邊實際電路板上電路繪制的。其中有些器件的型號不全。

▲ 圖1.3.1 脈沖轉換電路

在R2上形成的單光子脈沖經(jīng)過比較器U2轉換成成輸出方波。為了形成比較窄的輸出脈沖，比較器的輸出控制MOS管T1的導通，使其對并聯(lián)在R2上，能夠對LED盡快放電，使其重新恢復到反向偏壓狀態(tài)，這樣可以對下一個光子進行檢測，這個過程也稱雪崩傳感器熄火電路。

動圖顯示了電路中LED反向偏置電壓逐步升高超過20V之后，輸出脈沖經(jīng)過整形之后對應的方波信號。這個信號可以被用于后面單片機計數(shù)器進行統(tǒng)計。

▲ 圖1.3.2 信號轉換后的方波輸出信號

下圖是通過比較器的輸入電壓信號（R2上的電壓信號）與輸出信號波形?？梢钥吹皆诜答丮OS管T1的作用， R2電阻上的波形被斬波成一個40微秒左右脈沖寬度，比較器的輸出方波的脈沖寬度也是40微妙左右。

▲ 圖1.3.3 比較器的輸入與輸出波形

四、脈沖計數(shù)

使用單片機的中斷對于比較器輸出方波脈沖進行計數(shù)。統(tǒng)計每5毫秒之內(nèi)的脈沖輸出。在室內(nèi)光線下，LED在沒有遮擋情況下，單片機輸出計數(shù)脈沖數(shù)量大約是40左右。

當用手遮擋LED，可以看到示波器上的脈沖減少了。對應的單片機技術輸出也大約減少到 10 ~ 20個左右。

▲ 圖1.4.1 使用手對LED遮擋，可以改變計數(shù)數(shù)量

反過來，如果使用一個非常亮的室外工程照明LED燈，對測試LED進行照射，可以看到它輸出的脈沖波形幾乎是連成成了一片了。單片機輸出的計數(shù)也增加到70 ~ 80左右。

▲ 圖1.4.2 利用強光照射LED，可以看到輸出脈沖變多了

如果根據(jù)上圖所顯示的波形來看，應該是視頻作者所使用的熄火電路連接有錯誤。在強光下，LED反向電流幾乎連成了一條直線，T1似乎沒有完成熄火。

如果將T1的漏極接到LED上面，應該是對二極管偏壓進行釋放，使得二極管盡快從擊穿狀態(tài)恢復到截止狀態(tài)。很可惜手頭沒有AND114型號的LED，所以對于修改后的電路進行驗證了。

▲ 圖1.4.3 熄火電路修改

※ 結??論 ※

本文給出了網(wǎng)絡視頻實驗中中利用AND114 發(fā)光二極管工作在反壓下形成單光子雪崩檢測二極管。整體上可以看到這種二極管對于光線的強弱是能夠檢測的。單光子檢測可以對非常微弱的光線進行檢測，如果將多個SPAD組合成矩陣也可以對弱光圖像進行檢測。

參考資料

[1]、Single-photon detectors - Krister Shalm: https://www.youtube.com/watch?v=Vt84rSJa7VI