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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(gè)光量子。有趣的是，本來是用來發(fā)光的LED實(shí)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(luò)資料給出，OPTOELECTRONICS 公司出品的 型號(hào)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(duì)于LED用作SPAD的功能進(jìn)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(gè)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(zhuǎn)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(dòng)圖顯示了當(dāng)電壓實(shí)際超過了22V之后，LED的單光子雪崩電流信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生了。在電壓達(dá)到24V左右的時(shí)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(gè)脈沖是進(jìn)入LED中的單個(gè)光子引起內(nèi)部的雪崩電流信號(hào)。不過由此可以看到，LED檢測到光子的效率是很低的。實(shí)際產(chǎn)生的光脈沖只是進(jìn)入光子的非常小的比例。
三、脈沖轉(zhuǎn)換
為了使用單片機(jī)對(duì)于輸出脈沖進(jìn)行測量，下面使用比較器將LED雪崩脈沖進(jìn)行整形，使其形成單片機(jī)可以讀取的方波脈沖。實(shí)驗(yàn)電路如下圖所示。
由于視頻中的實(shí)驗(yàn)者沒有給出具體的電路，圖中的電路圖是根據(jù)左邊實(shí)際電路板上電路繪制的。其中有些器件的型號(hào)不全。
▲ 圖1.3.1 脈沖轉(zhuǎn)換電路
在R2上形成的單光子脈沖經(jīng)過比較器U2轉(zhuǎn)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(dǎo)通，使其對(duì)并聯(lián)在R2上，能夠?qū)ED盡快放電，使其重新恢復(fù)到反向偏壓狀態(tài)，這樣可以對(duì)下一個(gè)光子進(jìn)行檢測，這個(gè)過程也稱雪崩傳感器熄火電路。
動(dòng)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(duì)應(yīng)的方波信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以被用于后面單片機(jī)計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
▲ 圖1.3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換后的方波輸出信號(hào)
下圖是通過比較器的輸入電壓信號(hào)（R2上的電壓信號(hào)）與輸出信號(hào)波形。可以看到在反饋MOS管T1的作用， R2電阻上的波形被斬波成一個(gè)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(jì)數(shù)
使用單片機(jī)的中斷對(duì)于比較器輸出方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。統(tǒng)計(jì)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(jī)輸出計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量大約是40左右。
當(dāng)用手遮擋LED，可以看到示波器上的脈沖減少了。對(duì)應(yīng)的單片機(jī)技術(shù)輸出也大約減少到 10 ~ 20個(gè)左右。
▲ 圖1.4.1 使用手對(duì)LED遮擋，可以改變計(jì)數(shù)數(shù)量
反過來，如果使用一個(gè)非常亮的室外工程照明LED燈，對(duì)測試LED進(jìn)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(jī)輸出的計(jì)數(shù)也增加到70 ~ 80左右。
▲ 圖1.4.2 利用強(qiáng)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(yīng)該是視頻作者所使用的熄火電路連接有錯(cuò)誤。在強(qiáng)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(yīng)該是對(duì)二極管偏壓進(jìn)行釋放，使得二極管盡快從擊穿狀態(tài)恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)。很可惜手頭沒有AND114型號(hào)的LED，所以對(duì)于修改后的電路進(jìn)行驗(yàn)證了。
▲ 圖1.4.3 熄火電路修改
※ 結(jié)??論 ※
本文給出了網(wǎng)絡(luò)視頻實(shí)驗(yàn)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(duì)于光線的強(qiáng)弱是能夠檢測的。單光子檢測可以對(duì)非常微弱的光線進(jìn)行檢測，如果將多個(gè)SPAD組合成矩陣也可以對(duì)弱光圖像進(jìn)行檢測。
參考資料
[1]、Single-photon detectors - Krister Shalm: https://www.youtube.com/watch?v=Vt84rSJa7VI
