Способ повышения производительности твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов и система измерения света, реализующая указанный способ
METHOD FOR INCREASING PERFORMANCE OF SOLID-STATE PHOTOMULTIPLIER FOR RECORDIN LOW-PHOTON PULSES AND LIGHT MEASUREMENT SYATEM IMLEMENTING SAID METHOD

Заявленное изобретение относится к способам повышения производительности многопиксельных фотодетекторов, в особенности твердотельных фотоумножителей (в частности SiPM (Si-ФЭУ), GMAPD Array, SPAD Array), при регистрации потока одиночных фотонов, обладающего следующими свойствами: поток организован по времени в виде периодической последовательности малофотонных оптических импульсов (ниже будем называть малофотонными импульсами); временной промежуток между ближайшими малофотонными импульсами меньше, чем мертвое время отдельной микроячейки твердотельного фотоумножителя. Оно относится также к системе измерения света, реализующей этот способ.
Изобретение применимо, в частности, в области оптической связи, где в качестве приемного детектора используется твердотельный фотоумножитель.
Способ повышения производительности твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов уже известен в литературе из документа Akiba M., Inagaki K., Tsujino K. Photon number resolving SiPM detector with 1 GHz count rate //Optics Express. – 2012. – Т. 20. – №. 3. – С. 2779-2788, где раскрыт способ повышения производительности твердотельного (кремниевого) фотоумножителя при регистрации периодических последовательностей малофотонных импульсов отдельным SiPM-чипом за счет коррекции базового уровня сигнала с помощью техники конечных разностей второго порядка (т.е. коррекции наложения медленно меняющихся компонент соседних фотоэлектрических импульсов), пропускания фотоэлектрического сигнала через высокочастотный фильтр, его усиления и пропускания через низкочастотный фильтр с частотой среза 1.8 ГГц.
Этот известный способ имеет недостатки: в качестве детектора может быть использован только отдельный SiPM-чип; не позволяет регистрировать произвольные упорядоченные последовательности от удаленного источника, так как коррекция базового уровня производится по сигналу с задающего генератора лазера, который генерирует поток малофотонных импульсов; предназначен для работы с фотоэлектрическими импульсами со средним числом фотоотсчетов в импульсе не выше 5.
Техническая проблема заявленного изобретения заключается в преодолении указанных недостатков.
Технический результат – повышение производительности матричного детектора до частоты счета, позволяющей разрешать импульсы, следующие друг за другом в пределах мертвого времени отдельной микроячейки детектора.
Технический результат достигается в способе повышения производительности твердотельного фотоумножителя при регистрации потока одиночных фотонов, состоящего из массива микроячеек с параллельным выходом и  включает  этапы, на формируют поток малофотонных импульсов таким образом, чтобы были засвечены все микроячейки твердотельного фотоумножителя; ослабляют интенсивность падающего на матричный детектор потока малофотонных импульсов таким образом, что срабатывает малая часть микроячеек твердотельного фотоумножителя; регистрируют время появления фотоэлектрического импульса, сформированного на выходе твердотельного фотоумножтеля посредством срабатывания микроячеек  при поглощении малофотонного импульса; повторно регистрируют время появления фотоэлектрического импульса, сформированного на выходе твердотельного фотоумножителя посредством срабатывания микроячеек, не поглотивших фотон из предыдущего малофотонного импульса; посредством высокочастотного усилителя фотоэлектрический сигнал усиливают до уровня, пригодного для обработки с высоким соотношением сигнал/шум, посредством полосового высокочастотного фильтра фильтруют медленно меняющуюся компоненту сигнала для выделения отдельных импульсов, укорачивая передний фронт фотоэлектрического импульса и тем самым повышая производительность детектора при регистрации потока малофотонных импульсов, при этом становится возможным разрешать импульсы, следующие друг за другом в пределах мертвого времени отдельной микроячейки детектора.
Дополнительная особенность заключается в том, что по меньшей мере одна микроячейка определяется техническими характеристиками твердотельного фотоумножителя: мертвым временем отдельной микроячейки , то есть временем, в течение которого микроячейка не может поглощать фотоны, и длительностью переднего фронта одноэлектронного импульса , который возникает при поглощении фотона микроячейкой.
Дополнительная особенность заключается в том, что при поглощении малофотонного импульса сигнал на выходе твердотельного фотоумножителя представляет собой фотоэлектрический импульс с амплитудой, равной сумме фотоэлектрических импульсов со всех сработавших микроячеек, с длительностью переднего фронта  и длительностью времени спада .
Дополнительная особенность заключается в том, что используется упорядоченная последовательность малофотонных импульсов.
Дополнительная особенность заключается в том, что срабатывание по меньшей мере одной микроячейки осуществляется управлением напряжением смещения твердотельного фотоумножителя.
Дополнительная особенность заключается в том, что используются схемы укорочения переднего фронта фотоэлектрического импульса для уменьшения длительности переднего фронта  и минимального промежутка времени между двумя следующими друг за другом малофотонными импульсами.
Дополнительная особенность заключается в том, что содержит дополнительный этап, на котором производится эквализация фотоэлектрических импульсов для повышения надежности их распознавания.
Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве матричного детектора используется массив параллельно объединенных твердотельных фотоумножителей.
Указанный технический результат достигается также в системе измерения света, реализующей заявленный способ и содержащей последовательно соединенные: оптический аттенюатор с возможностью уменьшения интенсивности падающего потока малофотонных импульсов; матричный детектор, либо массив детекторов твердотельного фотоумножителя, высокочастотный усилитель для фотоэлектрического сигнала с возможностью установки полосового высокочастотного фильтра, с возможностью добавления схем укорочения переднего фронта фотоэлектрического импульса и возможностью управления со стороны электронного устройства; электронное устройство, обрабатывающее фотоэлектрический импульс сформированный на выходе твердотельного фотоумножтеля,  выполненное с возможностью управления напряжением источника питания, оптическим аттенюатором и полосовым высокочастотным фильтром по результатам обработки, в том числе посредством эквализации с помощью обратной связи; источник питания детектора с возможностью управления напряжением питания с электронного устройства.
Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей, где:
Фиг.1 – схема системы измерения света.
Фиг. 2 – график регистрации мощных импульсов.
Фиг. 3 - график работы детектора в режиме детектирования слабых оптических импульсов, далеко от порога насыщения. Время между импульсами намного меньше мертвого времени отдельной ячейки и составляет 3.5 нс. Показана форма импульсов до и после прохождения через высокочастотный фильтр.
Способ, являющийся объектом настоящего изобретения, обладает следующими преимуществами:
- предполагает использование, в том числе отдельного фотодетектирующего устройства, а не только отдельного SiPM-чипа;
- не использует внешний генератор для коррекции базового уровня, компенсируя это тем, что высокочастотный фильтр имеет возможность управления со стороны электронного устройства по обратной связи, а также амплитуда фотоэлектрического импульса может регулироваться со стороны электронного устройства;
- предназначен для работы с фотоэлектрическими импульсами с произвольным средним числом фотоотсчетов в импульсе. Так, изначальные расчеты предполагают среднее число фотоотсчетов в импульсе более 20, что позволяет использовать способ и систему в приемных устройствах оптической связи с уровнем битовой ошибки не выше 1е-3.
- не ставит своей целью надежное различение импульсов с разным количеством фотоотсчетов, что позволяет упростить его, так как конечная цель изобретения – только лишь повышение производительности матричного детектора для задач оптической связи, а не квантовых технологий. Для этой цели достаточно того, что два последующих импульса будут надежно различаться даже при высокой частоте следования, то есть суть предлагаемого способа заключается в выделении пиков в сигнале, а не в определении их амплитуды.
Каждая микроячейка матричного детектора может регистрировать отдельные фотоны и обладает определенным мертвым временем, в течение которого микроячейка выключена и не участвует в процессе регистрации. При поглощении фотона отдельной микроячейкой формируется фотоэлектрический импульс единичной амплитуды (1 фотоотсчет) и определенной длительности, зависящей от конструкции матрицы. После поглощения фотона микроячейка выключается и не может поглощать фотоны в течение «мертвого» времени. Длительность мертвого времени зависит от конструкции матрицы. Подразумевается, что длительность фотоэлектрического импульса короче мертвого времени микроячейки, что достигается, например, с помощью активного гашения лавины.
Так как матричный детектор состоит из большого количества микроячеек M, которые работают параллельно, то при регистрации последовательности импульсов на каждый импульс срабатывает часть микроячеек, число которых описывается формулой , где n – это число фотонов в импульсе, а p – квантовая эффективность детектирования. Если опорная частота импульсов  и среднее число фотонов в импульсе  удовлетворяет условию , где  – мертвое время микроячейки, то за это время детектор не достигнет порога насыщения и будет способен зарегистрировать все падающие на него импульсы. Это условие можно объяснить так: если энергия световых импульсов достаточно мала, чтобы непрерывное их падение не приводило к насыщению детектора, не происходит потери информации об отдельных импульсах, и каждый из них можно восстановить с помощью математической обработки фотоэлектрического сигнала. Выполнить это условие можно двумя способами: во-первых, уменьшить среднее число фотонов в импульсе, а во-вторых, уменьшить квантовую эффективность детектирования p, чего можно достичь, уменьшив напряжение смещения твердотельного фотоумножителя. Тогда, несмотря на сохранившееся среднее значение фотонов в импульсе, среднее число срабатывающих микроячеек уменьшится. У некоторых моделей твердотельных фотоумножителей амплитуда одноэлектронных импульсов слишком мала и требуется усиление для дальнейшей обработки. Это достигается, например, с помощью операционных усилителей.
С практической точки зрения имеет смысл использовать более строгое условие , так как при большей доле сработавших микроячеек будет существенно снижаться рабочая площадь детектора, и его квантовая эффективность сильно упадет. Так как каждый импульс выключает лишь малую часть микроячеек, можно увеличить частоту падающих импульсов так, чтобы время между их фронтами было бы примерно равно длительности фронта фотоэлектрического импульса, так как если временной промежуток между импульсами меньше или равен длительности переднего фронта отдельного импульса  (то есть временного промежутка, в течение которого напряжение быстро растет, формируя пик, а после него относительно медленно релаксирует к нулю) их различение связано со значительными трудностями.
Так как производительность детектора связана с длительностью переднего фронта фотоэлектрического импульса, для её повышения имеет смысл уменьшить его длительность. Это делается с помощью схем уменьшения длительности (укорочения) переднего фронта фотоэлектрического импульса (см, например, US8886697B2 или Pantoja J. M. M., Yebras J. M., Antoranz P. Strategies for shortening the output pulse of silicon photomultipliers //Optical Engineering. – 2012. – Т. 51. – №. 7. – С. 074004.), в которых укорочение переднего фронта достигается, например, пропусканием фотоэлектрического сигнала через полосовой частотный фильтр.
Дополнительной техникой для повышения надежности распознавания импульсов служит эквализация сигнала по обратной связи, при которой параметры полосового высокочастотного фильтра настраиваются с помощью электронного устройства по предыдущим фотоэлектрическим импульсам так, чтобы надежность различения отдельных импульсов была бы максимальной.
Система измерения света (фиг.1) содержит последовательно соединенные:
- Оптический аттенюатор (2) формирующий поток малофотонных импульсов для всех микроячеек твердотельного фотоумножителя, а также осуществляющий уменьшение интенсивности падающего потока малофотонных импульсов;
- Матричный детектор твердотельного фотоумножителя (1), содержащий матрицу однофотонных детекторов, микроячеек с параллельным выходом, либо массив детекторов, при этом по меньшей мере одна микроячейка определяется техническими характеристиками твердотельного фотоумножителя: мертвым временем отдельной микроячейки , то есть временем, в течение которого микроячейка не может поглощать фотоны, и длительностью фронта одноэлектронного импульса , который возникает при поглощении фотона микроячейкой.
- Высокочастотный усилитель (4) с возможностью управления со стороны электронного устройства (5), усиливающий фотоэлектрический импульс для фотоэлектрического сигнала с полосовым высокочастотным фильтром для уменьшения длительности переднего фронта  (то есть временного промежутка, в течение которого напряжение быстро растет, формируя пик, а после него относительно медленно релаксирует к нулю) и минимального промежутка времени между двумя следующими друг за другом малофотонными импульсами, тем самым повышая производительность детектора при регистрации потока малофотонных импульсов так, что ограничивающим её временным промежутком становится не мертвое время отдельной микроячейки, а длительность переднего фронта фотоэлектрического импульса, которое в данном случае много меньше мертвого времени микроячейки.
- Электронное устройство (5), обрабатывающее фотоэлектрический сигнал с возможностью управления напряжением источника питания, оптическим аттенюатором и полосовым высокочастотным фильтром по результатам обработки, в том числе с помощью эквализации по обратной связи, регистрирующий время (как первичного, так и повторного) появления фотоэлектрического импульса, сформированного на выходе твердого фотоумножителя с   амплитудой, равной сумме фотоэлектрических импульсов со всех сработавших микроячеек, с длительностью переднего фронта  и длительностью времени спада .
- Источник питания детектора (3) с возможностью управления напряжением питания с электронного устройства (5).
Пример 1. Пусть есть SiPM с 1000 ячейками и мертвым временем ячейки  нс. Используется импульсная двухуровневая кодировка, длительность фронта фотоэлектрического импульса  нс. В обычном режиме (фотоэлектрических импульсов большой амплитуды) максимальная пропускная способность канала, основанного на этом детекторе составляет  Мбит/с. Если удерживать среднюю энергию падающих импульсов на уровне  фотонов/импульс, и использовать быструю аппаратуру съема данных, можно увеличить пропускную способность до  Гбит/с.
Пример 2. Увеличение частоты разрешения падающих импульсов. фиг. 1 показывает работу матричного детектора S13360-1350PE с мертвым временем ячейки 50 нс в режиме насыщения при детектировании мощных оптических импульсов. После детектирования каждого импульса требуется дополнительное время для восстановления детектора, равное мертвому времени ячейки детектора – 50 нс.
Пример 3. Было проведено моделирование распознавания близких импульсов, представляющих собой синусоидальный фронт и экспоненциальный спад (фиг.4). Для трех перекрывающихся импульсов с длительностью фронта 1 нс и расстоянием между фронтами 1 нс было получено хорошее различение всех импульсов в присутствии синусоидального шума с частотой 200 МГц и слабого белого шума. Для фильтрации применялся полосовой высокочастотный фильтр (ПВЧ-фильтр) Баттерворта.
Дополнительная литература
- Чжан Г., Лина Л. Сверхбыстрый счет фотонов с помощью твердотельного фотоумножителя с пассивным гашением в режиме интегрирования заряда //Квантовая электроника. – 2018. – Т. 48. – №. 2. – С. 173-177.
- Eraerds P. et al. SiPM for fast photon-counting and multiphoton detection //Optics Express. – 2007. – Т. 15. – №. 22. – С. 14539-14549.
- Zhang, Long, et al. "The Future Prospects for SiPM-Based Receivers for Visible Light Communications." Journal of Lightwave Technology 37.17 (2019): 4367-4374
- US8886697B2 Solid state photomultiplier with improved pulse shape readout
- US8483570B2 Method and apparatus for increasing the capacity of a data communication channel.