本发明涉及单光子探测器领域，尤其涉及一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法。
背景技术：
单光子探测作为一种重要的微弱信号检测技术，在高分辨率三维成像、光谱学、量子信息处理等领域应用广泛。特别是随着量子保密通信技术的迅猛发展，远距离量子密钥分发技术取得重大突破，这使得工作在红外波段的单光子探测器日益受到人们的重视。因ingaas/inp单光子雪崩二极管(single-photonavalanchediode，spad)在1310nm和1550nm通信波段探测效率高，且可在室温附近工作，故成为目前单光子探测领域的典型探测器之一。
工作在盖革模式的ingaas/inpspad在雪崩倍增区具有较高的电场，由光子吸收或其它机制产生的载流子触发并产生雪崩脉冲后，需要前端电路(包括淬灭/复位电路、读出电路等)进行控制，将雪崩电流淬灭，随后将spad恢复到过偏压状态，以便进行下一个单光子探测。由于ingaas/inpspad探测器的材料体系与硅基cmos读出电路不兼容，为了准确地模拟电路设计阶段的雪崩、淬灭、复位等过程，需要一个精确的ingaas/inpspad仿真模型来描述其行为。除静态直流和动态交流等基本特性外，spad还受到暗计数和后脉冲噪声的严重影响。因此，暗计数和后脉冲的统计现象也应包括在spad模型中。
早期的简单spad仿真模型不能提供足够的仿真精度，故zappa等人[1]提出了一种精确的集成电路仿真程序(simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis，spice)模型，它可以模拟雪崩电流的快速建立、自持电荷倍增和自淬灭过程，应用在单光子探测电路时可为前端电路提供较为准确的雪崩电流。随后，mitar等人[2]应用verilog-a硬件语言描述了si-spad的i-v特性，避免了spice模型中的收敛问题。但这些模型不能模拟暗计数和后脉冲等统计特性，导致应用在单光子探测电路时无法解决设计前端电路的死时间设置问题。为此，giustostisi等人[3]提出了一种si-spad行为模型，用于预测暗计数和后脉冲的统计事件。然而该模拟模型只考虑了暗计数的热依赖性，忽略了电场相关隧穿效应的影响，导致应用在单光子探测电路时使得前端电路的设计无法考虑暗计数噪声的影响。2017年，yuexu等人[4]提出一种模拟陷阱辅助隧穿效应与带间隧穿效应的si基spad模型。另外，zhenglixia提出一种ingaas/inpspad仿真模型[5]，该模型将用verilog-a语言表示i-v特性的函数嵌入到dallamora[6]提出的增强型等效电路中，可以模拟光子吸收、自淬灭等功能，但该模型未考虑暗计数和后脉冲效应，导致该模型应用于单光子探测前端电路设计时，前端电路不能设计合适的死时间，没有考虑到暗计数噪声的影响，使得单光子探测效率降低。
上述ingaas/inp单光子探测器模型并不能模拟ingaas/inpspad的统计特性，这将不能很好地估计ingaas/inpspad的暗计数与后脉冲对单光子探测结果的影响，导致模型应用于设计前端电路时，所设计的前端电路不能与实际器件的工作状态相匹配。
参考文献
[1]f.zappa,a.tosi,a.d.mora,s.tisa,spicemodelingofsinglephotonavalanchediodes,sensorsactuator.phys.153(2009)197e204.
[2]r.mita,g.palumbo,p.g.fallica,accuratemodelforsinglephotonavalanchediodes,ietcircuits,devicessyst.2(2008)207e212.
[3]g.giustolisi,r.mita,g.palumbo,behavioralmodelingofstatisticalphenomenaofsingle-photonavalanchediodes,int.j.circ.theor.appl.40(2012)661e679.
[4]xuy,zhaot,lid.anaccuratebehavioralmodelforsingle-photonavalanchediodestatisticalperformancesimulation[j].superlatticesandmicrostructures,2017:s0749603617326587.
[5]zhengl,tianj,wengz,etal.animprovedconvergentmodelforsingle-photonavalanchediodes[j].ieeephotonicstechnologyletters,2017,29(10):798-801.
[6]dallamoraa,tosia,tisas,etal.single-photonavalanchediodemodelforcircuitsimulations[j].ieeephotonicstechnologyletters,2007,19(23):1922-1924.
技术实现要素：
本发明提供一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，本发明可以建立ingaas/inpspad的电流-电压特性、吸收区和倍增区的各种机制导致的暗计数特性、后脉冲噪声，该方法可应用在设计单光子探测前端电路时替代实际inp/ingaas单光子探测器，提供精确的雪崩电流、死时间设置、暗计数噪声的影响，详见下文描述：
一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，所述方法包括：
建立初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
将所述行为模型转换并载入matlab建模，并设定行为模型所需要拟合的参数值，得到模拟inp/ingaasspad电流-电压特性、暗计数特性、后脉冲噪声的拟合曲线；
在matlab中调整拟合参数的大小，直至拟合曲线与inp/ingaasspad的实测数据相匹配；
将匹配状态下所对应的拟合参数值代入初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型，以得到最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
将最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于单光子探测前端电路设计中，调整前端电路的各项参数与时序设置，提高前端电路的探测效率。
其中，所述inp/ingaasspadverilog-a行为模型具体为：
在吸收区热载流子的产生时刻，若判断没有雪崩发生并且偏置电压大于雪崩击穿电压，则产生一个0-1间的随机数与雪崩触发概率做比较；
当随机数大于触发概率，则判断雪崩触发，更新热激发产生的载流子与缺陷中载流子下一次出现的时间；
若偏置电压小于雪崩击穿电压或随机数小于触发概率，则雪崩不发生，更新下一次热激发产生的载流子出现的时间。
其中，所述方法还包括：
检测单元判断探测器所加电压是否大于等于雪崩击穿电压，若小于雪崩击穿电压，则依据所加电压输出相应电流，并返回温度、电压和光子检测单元进行重新判定；若大于等于雪崩击穿电压，则探测器处于盖革模式，并计算雪崩触发概率与倍增区的电场强度；
若有光子到来并且探测器处于盖革模式，判定雪崩触发并生成光子计数信号，该信号进入输出光子计数脉冲单元，产生脉冲并更新暗载流子与后脉冲产生时间；若没有光子到来并且处于盖革模式，则触发吸收区暗计数计时器、倍增区暗计数计时器和后脉冲计时器。
进一步地，所述方法还包括：
若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号，并且处于盖革模式，则产生一个1-0均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率比较；
若该随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，进入吸收区暗载流子产生时间单元和缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次暗载流子出现与缺陷载流子释放的时间；若该随机数小于雪崩触发概率，则无雪崩触发。
其中，所述方法还包括：
若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号并且处于盖革模式，则判断缺陷中载流子数是否大于1，若缺陷中载流子数大于1，则产生一个均匀分布的随机数；
若随机数大于后脉冲产生概率，则判释放缺陷中载流子，产生第二个均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率做比较；
若随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号，进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次缺陷中载流子释放的时间；
产生的暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，之后重新判定；若缺陷中载流子数为0，重新判定；若随机数小于后脉冲发生概率，重新判定；
若随机数小于雪崩触发概率，则进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次吸收区、倍增区和缺陷中载流子出现的时间，重新判定。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本方法构建的inp/ingaas单光子探测器verilog-a行为模型中i-v特性与实际器件相比误差更小，可应用于单光子探测前端电路设计，使单光子探测前端电路有效提取与实际器件相符雪崩电流；
2、本方法可以准确描述inp/ingaas单光子探测器的暗计数特性，模拟暗计数噪声对前端电路的影响，使前端电路的工作时序设计合理，前端电路与实际器件相匹配时可有效提高单光子探测效率；
3、本方法可以准确描述inp/ingaas单光子探测器的后脉冲噪声，为前端电路提供准确的死时间设置，使前端电路与实际器件相匹配时可有效提高单光子探测效率；
4、本方法采用verilog-a编写，具有良好的通用性和兼容性，可以直接在商业模拟器(如cadencespectre)中接入前端电路，模拟单光子探测，并具有较高的仿真精度与速度。
附图说明
图1为一种提高单光子探测器的探测效率的方法的流程图；
图2为本方法所构建的模型模拟的实际inp/ingaas单光子探测器；
图3为模型模拟的实际inp/ingaas单光子探测器的结构示意图；
图4为初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型中描述热激发过程部分；
图5为初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型状态转换图；
图6为inp/ingaasspadverilog-a行为模型在matlab中所模拟的i-v特性曲线示意图；
图7为inp/ingaasspadverilog-a行为模型在matlab中所模拟的暗计数特性曲线示意图；
图8为在cadencespectre中，本发明所构建最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于前端电路设计的原理图；
图9为在cadencespectre中，本发明所构建最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于前端电路设计的仿真结果图。
图10为在温度为225k，门控电压脉冲宽度为20ns、高电平分别为5v与3v情况下，单光子探测器总暗计数率随门控脉冲周期的变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明提供了一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
步骤2：将该行为模型转换并载入matlab建模，并设定行为模型所需要拟合的参数值，得到模拟inp/ingaasspad电流-电压特性、暗计数特性、后脉冲噪声的拟合曲线；
步骤3：直接在matlab中调整拟合参数的大小，直至拟合曲线与inp/ingaasspad的实测数据相匹配；
步骤4：将匹配状态下所对应的拟合参数值代入初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型，以得到最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
步骤5：将最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于单光子探测前端电路设计中，调整前端电路的各项参数与时序设置，提高前端电路的探测效率。
实施例2
下面结合图1-图10对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
图1为单光子探测器verilog-a行为模型的构建方法流程图，图2给出了所构建的模型模拟的实际inp/ingaas单光子探测器，图3为模型模拟的实际inp/ingaas单光子探测器的结构示意图；
倍增层的电场必须足够高以保证雪崩概率，吸收层的电场必须足够低，避免场感应漏电流。高掺杂的电荷层用于改善吸收层与倍增层的电场分布。渐变区主要用于缓冲ingaas与inp禁带的突变，降低光生载流子在界面处的累计效应。在盖革模式，spad工作在雪崩击穿偏压以上。入射光子被窄禁带的ingaas层吸收产生电子－空穴对，电子－空穴对在反向偏压作用下分离，空穴进入宽禁带的inp倍增层，在高电场作用下发生碰撞电离，产生自持雪崩，其中吸收区、倍增区的载流子产生与缺陷载流子的释放也会触发雪崩导致暗计数。在单光子探测时，ingaas/inpspad需要执行的功能为：根据温度与所加电压计算雪崩电压、雪崩触发概率并输出正确的电流；盖革模式下当光子到来可以产生光子计数；盖革模式下没有光子到来产生由吸收区的热产生载流子导致的暗计数；盖革模式下没有光子到来产生倍增区的陷阱辅助隧穿导致的暗计数；盖革模式下没有光子到来产生缺陷载流子释放导致的后脉冲；在读出电路的配合下可以完成淬灭与复位。
结合图3中的ingaas/inpspad的结构图与工作原理，需要构建不同单元模拟探测器的单光子探测行为。温度、电压和光子检测单元用于判断是否为盖革模式、光子是否到来并输出对应电流。吸收区暗载流子产生时间单元用来模拟探测器的吸收区的热产生载流子导致的暗计数过程。倍增区暗载流子产生时间单元用来模拟探测器的倍增区的陷阱辅助隧穿导致的暗计数过程。缺陷载流子释放时间单元用来模拟缺陷载流子释放导致的后脉冲的过程。
图4为初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型中描述热激发过程的部分，该代码功能说明如下：在吸收区热载流子的产生时刻，若判断没有雪崩发生并且偏置电压大于雪崩击穿电压，则产生一个0-1间的随机数与雪崩触发概率做比较，当随机数大于触发概率，则判断雪崩触发，更新热激发产生的载流子与缺陷中载流子下一次出现的时间；若偏置电压小于雪崩击穿电压或随机数小于触发概率，则雪崩不发生，更新下一次热激发产生的载流子出现的时间。
为方便描述初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型，图5给出了本发明所构建的初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型的状态转换图。将电压和温度输入温度、电压和光子检测单元，该单元计算并判断探测器所加电压是否大于等于雪崩击穿电压，若小于雪崩击穿电压，则依据所加电压输出相应电流，并返回温度、电压和光子检测单元进行重新判定；若大于等于雪崩击穿电压，则探测器处于盖革模式，并计算雪崩触发概率与倍增区的电场强度。将光子信号输入温度、电压和光子检测单元，若有光子到来并且探测器处于盖革模式，判定雪崩触发并生成光子计数信号，该信号进入输出光子计数脉冲单元，产生脉冲并更新暗载流子与后脉冲产生时间；若没有光子到来并且处于盖革模式，则触发吸收区暗计数计时器、倍增区暗计数计时器和后脉冲计时器。
ingaas/inp单光子探测器的吸收区产生暗载流子的时间由吸收区暗载流子产生时间单元调度。若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号，并且处于盖革模式，则产生一个1-0均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率比较。若该随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号。产生的暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，进入吸收区暗载流子产生时间单元和缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次暗载流子出现与缺陷载流子释放的时间，并回到温度和电压、光子检测单元；若该随机数小于雪崩触发概率，则无雪崩触发，回到温度、电压、光子检测单元。
ingaas/inp单光子探测器的倍增区产生暗载流子的时间由倍增区暗载流子产生时间单元调度。若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号并且处于盖革模式，则产生一个均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率比较。若该随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号，产生的暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，然后进入倍增区暗载流子产生时间单元和缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次暗载流子出现与缺陷载流子释放的时间，并回到温度、电压和光子检测单元；若该随机数小于雪崩触发概率，回到温度、电压和光子检测单元。
ingaas/inp单光子探测器的缺陷载流子导致后脉冲的时间由缺陷载流子释放时间单元调度。若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号并且处于盖革模式，则判断缺陷中载流子数是否大于1，若缺陷中载流子数大于1，则产生一个均匀分布的随机数，并与后脉冲产生概率比较。若该随机数大于后脉冲产生概率，则判释放缺陷中载流子，产生第二个均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率做比较。若随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号，进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次缺陷中载流子释放的时间。产生的暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，之后进入温度、电压和光子检测单元重新判定；若缺陷中载流子数为0，返回温度、电压和光子检测单元重新判定；若随机数小于后脉冲发生概率，返回温度、电压和光子检测单元重新判定；若随机数小于雪崩触发概率，则进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次吸收区、倍增区和缺陷中载流子出现的时间，并返回温度、电压和光子检测单元重新判定。
图6给出了本发明所构建的inp/ingaasspadverilog-a行为模型在matlab中所模拟的i-v特性曲线，模拟在225k下的i-v特性曲线，inp/ingaasspad雪崩击穿电压为45v。
图7给出了本发明所构建inp/ingaasspadverilog-a行为模型在matlab中所模拟的暗计数特性曲线，模拟在偏置电压为47v的情况下模型的暗计数率随温度的变化关系。在低温时，缺陷中载流子的释放与倍增区的噪声是暗计数的主要影响，随着温度的增加，吸收区的噪声是暗计数的主要原因。
图8给出了在cadencespectre中，本发明所构建最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于前端电路设计的原理图。该电路可以完成单光子探测，并能通过时序调整降低暗计数与后脉冲噪声的影响，提高单光子探测效率。ingaas/inp单光子探测器有三个输入输出端，分别为光子入射端、阴极、阳极；偏置电压设为为44v；偏置电阻阻rs值为1kω；感应电阻rl设置为100kω；电容c为500pf。门控电压的脉冲宽度设置为20ns,周期可调。
该电路的工作原理为：为获得最佳的门控周期，光子输入端接地，代表没有光子入射，这样可以直接得到门控周期对暗计数的影响。偏置电压加载在单光子探测器阴极，提供一个基本电压，该电压小于雪崩击穿电压。门控电压加载在单光子探测器阴极，提供额外电压，在高电平时使单光子探测器两端电压大于雪崩击穿电压。在门控脉冲处于低电平时，单光子探测器两端所加电压小于雪崩击穿电压，单光子探测器无法触发雪崩发生，没有暗计数产生；在门控脉冲处于高电平时，单光子探测器阴极电压由电容c与偏置电阻rs提供，使得在门控脉冲宽度内单光子探测器两端所加电压大于雪崩击穿电压，当雪崩被触发时，雪崩电流流过感应电阻rl产生感应电压，通过单光子探测器阴极输出，随着感应电压的增加，单光子探测器两端电压降低至到偏置电压，小于雪崩击穿电压，完成暗载流子脉冲的检测并等待下一次检测。通过门控周期的调制可有效降低后脉冲的影响，提高前端电路的探测效率。
图9给出了在cadencespectre中本发明所构建最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于前端电路设计的仿真结果图。门控脉冲周期为1μs，宽度为20ns,高电平为3v。其中，横坐标为仿真时间，2个纵坐标由上到下分别门控脉冲电压信号与探测器阳极节点的电压信号。如图所示，在门控脉冲为高电平时，若单光子探测有暗载流子产生并触发雪崩，雪崩电流流经感应电阻，因电阻的分压降低了单光子探测两端的电压，电流减小，单光子探测器被淬灭。随着电流的减小电阻分压也再减小直到完成复位。在门控脉冲为低电平时，则无法检测。图中分别在15μs、18μs处检测到了暗计数。
图10为在温度为225k，门控电压脉冲宽度为20ns、高电平分别为5v与3v情况下，单光子探测器总暗计数率随门控脉冲周期的变化图。可以看到，在门控周期小于10μs时，随着门控周期的增加，总暗计数率下降较快；在门控周期大于10μs时，随着门控周期的增加，总暗计数变化不明显。综合以上，门控周期定为10μs时可以就获得较少的暗计数，综合较小的暗计数与前端电路较大的门开启时间可有效提高探测效率，获得较优的时序设置。
综上所述，本发明所构建的inp/ingaasspadverilog-a行为模型模拟出ingaas/inpspad的静态直流特性与动态交流特性，同时可以描述探测器的后脉冲噪声与由吸收区和倍增区的的暗计数特性。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，其特征在于，所述方法包括：
建立初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
将所述行为模型转换并载入matlab建模，并设定行为模型所需要拟合的参数值，得到模拟inp/ingaasspad电流-电压特性、暗计数特性、后脉冲噪声的拟合曲线；
在matlab中调整拟合参数的大小，直至拟合曲线与inp/ingaasspad的实测数据相匹配；
将匹配状态下所对应的拟合参数值代入初始inp/ingaasspadverilog-a行为模型，以得到最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型；
将最终的inp/ingaasspadverilog-a行为模型应用于单光子探测前端电路设计中，调整前端电路的各项参数与时序设置，提高前端电路的探测效率。
2.根据权利要求1所述的一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，其特征在于，所述inp/ingaasspadverilog-a行为模型具体为：
在吸收区热载流子的产生时刻，若判断没有雪崩发生并且偏置电压大于雪崩击穿电压，则产生一个0-1间的随机数与雪崩触发概率做比较；
当随机数大于触发概率，则判断雪崩触发，更新热激发产生的载流子与缺陷中载流子下一次出现的时间；
若偏置电压小于雪崩击穿电压或随机数小于触发概率，则雪崩不发生，更新下一次热激发产生的载流子出现的时间。
3.根据权利要求2所述的一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，其特征在于，所述方法还包括：
检测单元判断探测器所加电压是否大于等于雪崩击穿电压，若小于雪崩击穿电压，则依据所加电压输出相应电流，并返回温度、电压和光子检测单元进行重新判定；若大于等于雪崩击穿电压，则探测器处于盖革模式，并计算雪崩触发概率与倍增区的电场强度；
若有光子到来并且探测器处于盖革模式，判定雪崩触发并生成光子计数信号，该信号进入输出光子计数脉冲单元，产生脉冲并更新暗载流子与后脉冲产生时间；若没有光子到来并且处于盖革模式，则触发吸收区暗计数计时器、倍增区暗计数计时器和后脉冲计时器。
4.根据权利要求2所述的一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号，并且处于盖革模式，则产生一个1-0均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率比较；
若该随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，进入吸收区暗载流子产生时间单元和缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次暗载流子出现与缺陷载流子释放的时间；若该随机数小于雪崩触发概率，则无雪崩触发。
5.根据权利要求2所述的一种提高单光子探测前端电路探测效率的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若在暗载流子出现时刻探测器没有收到光子到来信号并且处于盖革模式，则判断缺陷中载流子数是否大于1，若缺陷中载流子数大于1，则产生一个均匀分布的随机数；
若随机数大于后脉冲产生概率，则判释放缺陷中载流子，产生第二个均匀分布的随机数，并与雪崩触发概率做比较；
若随机数大于雪崩触发概率，则触发雪崩并产生一个暗计数信号，进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次缺陷中载流子释放的时间；
产生的暗计数信号进入输出暗计数脉冲单元产生脉冲，之后重新判定；若缺陷中载流子数为0，重新判定；若随机数小于后脉冲发生概率，重新判定；
若随机数小于雪崩触发概率，则进入缺陷载流子释放时间单元，计算更新下一次吸收区、倍增区和缺陷中载流子出现的时间，重新判定。
技术总结