紅外LED單光子雪崩信號

本文測試了紅外LED反向雪崩器件的基本特性，可以看到它作為弱光檢測的基本特性。在昨天搭建了紅外反向雪崩信號整形電路，?初步測量了它對光電信號的檢測性能。?下面利用單片機(jī)MEGA8對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。?測試一下紅外反向單光子雪崩器件測量光強(qiáng)的一些基本性能。

01 LED反向雪崩信號

一、背景介紹

在昨天搭建了紅外反向雪崩信號整形電路，?初步測量了它對光電信號的檢測性能。?下面利用單片機(jī)MEGA8對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。?測試一下紅外反向單光子雪崩器件測量光強(qiáng)的一些基本性能。

二、單片機(jī)程序

對于記錄雪崩脈沖信號計數(shù)MEGA8單片機(jī)編程，對其串口輸出數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行定義。?命令代碼0x1，串口返回100ms之內(nèi)的脈沖數(shù)量。?命令代碼0x2，串口返回四個ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值；這個命令是用于后期輔助模擬量測量。?命令代碼0x55，每隔0.5秒連續(xù)輸出脈沖計數(shù)數(shù)值。

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三、測量結(jié)果

1、反向電壓與脈沖

將紅外LED置于一個黑色紙盒內(nèi)，?紙盒內(nèi)部有黑色的海綿充分吸光。?測量反向電壓從39.5V變化到45V對應(yīng)的脈沖數(shù)量。?這反應(yīng)了脈沖與反向電壓之間的關(guān)系。

測量LED在無光情況下反向偏置電壓與脈沖個數(shù)之間的關(guān)系

這里給出了測量結(jié)果，?可以看到在41V之前，基本上脈沖數(shù)值非常小。?隨著電壓的增加，反向單光子雪崩脈沖信號繼續(xù)增加。?由于在黑盒子內(nèi)實際上無法做到完全每一個光線，所以后面脈沖增加也可以看成LED傳感器靈敏度增加的結(jié)果。

圖1.3.2 無光下反向偏置電壓與脈沖數(shù)量之間的關(guān)系

2、脈沖數(shù)與光線之間關(guān)系

在黑色紙盒內(nèi)固定一個紅色LED，?使其與紅外LED正對，?測量LED的電流與接收LED反向雪崩脈沖信號數(shù)量之間的關(guān)系。?測量仍然在無光的黑色盒子內(nèi)進(jìn)行，?盡可能避免外部光線對其影響。?LED的電流通過測量串聯(lián)電阻上的電壓獲得。

圖1.3.3 測量雪崩脈沖數(shù)量與光線之間的關(guān)系

在博文 LED的電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系[1] 中測量了紅色LED的光強(qiáng)與通過電流之間的關(guān)系，?在一定范圍內(nèi)大體上呈現(xiàn)線性關(guān)系。

這是測量結(jié)果，可以看出整體上隨著LED電流增加，光強(qiáng)增加，雪崩脈沖數(shù)量也增加。?在2mA之前，脈沖數(shù)量與LED電流之間大體呈現(xiàn)線性關(guān)系。?隨著后面電流增加，?電流逐步趨向飽和狀態(tài)。?猜測是強(qiáng)光下，雪崩脈沖之間會相互充電，熄火電流會將部分脈沖掩蓋，使得技術(shù)數(shù)量下降。

圖1.3.4 LED電流與雪崩脈沖之間的關(guān)系

圖1.3.5 光強(qiáng)大的時候，脈沖檢測器的性能下降

四、光電池發(fā)光

光電池是將光轉(zhuǎn)變成電的器件，?如果對其通過電流是否可以發(fā)光呢？下面使用上面紅外LED測量光電池的發(fā)光。

將光電池與紅外LED放置在黑盒子里面。?調(diào)整紅外LED方向，使其正對光電池表面。?將它們密封在褐色紙盒子里面。?稍微增加紅外LED偏置電流，增加它的靈敏度。?下面測試光電池導(dǎo)通電流與雪崩脈沖信號之間的關(guān)系。

圖A1.4.1 測量光電池發(fā)光信號

這是測量結(jié)果，可以看到隨著光電池電流增加，紅外反向雪崩脈沖信號也增加了。?它們之間大體呈現(xiàn)線性關(guān)系。?這說明光電池的確發(fā)光，而且光線強(qiáng)隨著電流增加線性增加。?這說明利用紅外LED反向雪崩信號的確可以檢測非常微弱的發(fā)光。

圖1.4.1 測量光電池發(fā)光

總結(jié)

本文測試了紅外LED反向雪崩器件的基本特性，?可以看到它作為弱光檢測的基本特性。

圖2.1 測量SPAD基本特性

參考資料

[1] LED的電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/107700459