CN101170362A - 一种apd单光子探测的电路模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及量子保密通信类，具体涉及一种APD单光子探测的电路模块，该电路模块包括输入信号处理和门脉冲产生电路、偏压产生电路、雪崩鉴别电路、数模转换电路、输出信号处理电路，其中输入信号处理和门脉冲产生电路产生的门控脉冲为窄脉冲，其优点是，采用电容平衡差分比较的抑制模式，能够在很窄的探测门下实现高信噪比的单光子探测，即使在同样窄的探测门下，也能获得很高的信噪比，各部分电路稳定性能可靠，能够实现对近红外波段单光子低噪声探测，探测效率高，噪声低，探测时间精度高。

Description

一种APD单光子探测的电路模块
技术领域
本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是对InGaAs/InP APD(雪崩光电二极管)各项工作参数设置和弱信号检测提取的电路模块，实现近红外波段单光子的探测。
背景技术
量子保密通信系统中一项关键的技术就是在光纤通信的三个低损耗窗口(即850nm 1310nm 1550nm)中实现单光子探测。在通信的这三个窗口，单光子的能量都在10E-19j量级，达到探测器探测灵敏度的极限。在继续研制和开发有更高灵敏度的新型结构的光探测器的同时，研究发现和改进APD的控制驱动技术，用市场上现有的APD也能实现单光子探测。目前世界上成功实现的量子保密通信系统是靠改进APD控制驱动技术实现的。
在单光子探测中，APD一般是工作在所谓的“门模式”下，门模式的基本思想是APD的偏置电压只会在有可能由光子到达的很短的一个时间内高于雪崩电压，在其他时间偏置电压都将低于雪崩电压。由于APD只有在有可能有光子到达的时候才会处于工作状态，因此在其他时间APD的增益系数比较低，产生的噪声信号很低，也不会因为噪声信号导致APD处于死状态而不能探测真正的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因为光路信息是已知的，即光子到达探测器的时间也是可以预测的，所以门控模式的APD在量子保密通信系统中得到了非常广泛的应用。
虽然现在对于APD探测的研究已经非常深入，但是没有非常有效的方法在信噪比上实现突破，通用的基于门模式的方案一般都是采用提高偏置电压，提高雪崩幅度进行比较的方法，信噪比不高，而且后脉冲影响较大。其他的方案例如双APD平衡方案等，绝大多数处在实验试制阶段，方案不完整，且成本较高，仅有少数公司能够提供基于不同方案的实用的探测电路模块，但是电路复杂，体积很大。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种APD单光子探测的电路模块，该电路模块能够在窄门脉冲抑制模式下对近红外单光子探测，采用电容平衡抑制方式，在很窄的门脉冲情况下，有效的抑制门脉冲产生的充放电、过冲和振铃，准确地鉴别出相对而言微弱的雪崩信号，并将其提取整形输出。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于该电路模块包括输入信号处理和门脉冲产生电路、偏压产生电路、雪崩鉴别电路、数模转换电路、输出信号处理电路，其中输入信号处理和门脉冲产生电路产生的门控脉冲为窄脉冲。
所述输入信号转换和门脉冲产生电路包括转换器、与非门、延时芯片、单稳态电路芯片、微分电路、高速比较器，其中输入的时钟信号经过转换器、起缓冲和选择功能的与非门，进入延时芯片进行精密延时后，由单稳态电路芯片产生一个稳定的初级门控脉冲用于后级短脉冲的产生，经过微分电路后，在输出端设置高速比较器，在反向输入端设置一定的阈值电平，产生窄门脉冲。
所述雪崩鉴别电路采用的是电容平衡的差分探测方式，该电路包括平衡电容、差分运算放大器、带通滤波器、高速的比较器，其中APD产生的信号和平衡电容产生的信号在高速的差分运算放大器中相减，将雪崩信号提取出来，经过一个带通滤波器滤掉高低频的干扰，由高速的比较器进行鉴别比较输出。
本发明的优点是，采用电容平衡差分比较的抑制模式，能够在很窄的探测门下实现高信噪比的单光子探测，和同类产品相比，即使在同样窄的探测门下，也能获得很高的信噪比，各部分电路稳定性能可靠，能够实现对近红外波段单光子低噪声探测，探测效率高，噪声低，探测时间精度高。
附图说明
附图1为本发明电路模块控制方框图；
附图2为本发明实施例输入信号处理电路I示意图；
附图3为本发明实施例输入信号处理电路II和门脉种产生电路示意图；
附图4为本发明实施例偏压产生电路和雪崩鉴别电路示意图；
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-4所示，图中符号分别为：两个二极管1N4148、转换器MC10ELT25D、与非门SN74LS00、延时芯片AD9500、单稳态电路芯片MC10198、微分电路(R114和C114)、高速比较器AD96685、DC-DC变换电路芯片MAX1932、数模转换器DAC714、平衡电容C13、带通滤波器(C415，R414，R415，C416)。
本实施例由输入信号处理电路、门脉冲产生电路、偏压产生电路、雪崩鉴别电路、数模转换电路、输出信号处理电路、温度控制电路、供电电路、其他控制电路等组成。由外部产生的时钟信号在信号处理电路中转换成ECL信号后，延时，整形，微分后经过比较器产生一定幅度和宽度的窄脉冲；偏压产生电路产生APD门模式工作时所需的反偏压；雪崩鉴别电路利用电容平衡的差分探测方式，能够有效抑制门脉冲产生的尖峰噪声，把雪崩信号提取出来，经过鉴别，将计数脉冲输出。
以下为各部分电路的详细说明：
输入信号处理和门脉冲产生电路中，输入的时钟信号可以使用NIM电平或TTL电平标准，两个二极管1N4148起限幅作用，兼容50Ω输入阻抗，MC10ELT25D是差分ECL转TTL的转换器，输入的NIM时钟转成ECL时钟，经过转换器MC10ELT25D转成TTL，与非门SN74LS00起缓冲和选择功能，输出的时钟进入延时芯片AD9500进行精密延时后由MC10198构建的单稳态电路芯片产生一个稳定的100ns脉宽的初级门控脉冲用于后级短脉冲的产生，在输出端设置一个微分电路，AD96685是一个比较器，在反向输入端设置一定的阈值电平，就能够产生窄门脉冲，经过转换器MC10ELT25D转成TTL的门脉冲。
偏压产生电路和雪崩鉴别电路采用MAXIM/DALLAS公司的DC-DC变换电路芯片MAX1932。它能够提供4.5-90v的电压输出，同时具有电流保护功能，其内部集成8位SPI协议数模转换器(0.5％输出精度)，也可使用外部数模转换器得到更高的输出精度，整个电路也是基于脉冲宽度调制来改变输出电压的大小，输出电压反馈端FB固定为1.25v，由数模转换器的输出电压和FB端电压差控制流过R405、R406的电流，使得R402两端的压差改变而调节输出电压。在实际的使用当中，采用变换电路芯片MAX1932可以实现数字调节，输出电压线性可调，可以方便的产生APD所需的偏压，且纹波控制在很小的范围内。
雪崩鉴别电路采用的电容平衡的方式，APD产生的信号和平衡电容C13产生信号在高速的差分运算放大器AD8351中相减，将雪崩信号提取出来，经过一个带通滤波器滤掉高低频的干扰，由高速的比较器AD96685进行鉴别比较输出。
数模转换电路的作用是将数字量转化成模拟量，能够用数控的方式调节门脉冲宽度，偏压，制冷器电源输出等。图中在对精度要求比较高的偏压，制冷器电源控制上采用了Texas Instruments 16位高精度的D/A转换器DAC714U，在对精度要求较低的门脉冲宽度调节上采用了8位的D/A转换器TLV5624，。其余的D/A用于功能拓展，D/A共用地址线，由片选线进行选择控制。
输出信号处理电路中，输出的信号有分别是TTL和NIM标准的CLK和DATA，用D触发器芯片MC10ELT31D构成RS触发器，将光子计数信号和初级门控脉冲进行“与”的功能，屏蔽在门控脉冲时间外的暗计数，触发器输出经过转换器MC10ELT25D转成TTL信号，由三态收发器MC74AC245DW提高带动能力输出为Data(TTL)，另一路先通过与门、与非门MC10EP05DR2起缓冲和隔离的作用，然后经过由两个三极管组成的差分输出电路转成DATA(NIM)输出。对时钟的处理也是类似，经过三态收发器MC74AC245DW转成50欧姆输出，另一路经过转换器MC10ELT24D转成ECL信号，由差分输出电路转成CLK(NIM)输出。
供电电路
主要的电源需求+5V，-5.2V，+12V，-12V，其中+5V，-5.2V可以由外部的开关电源供给，+12V和-12V的电流需求不大，用图中的DC-DC变换芯片MAX742将+5V转成+12V和-12V，考虑到外部控制电路的电源需求，用线性电源模块Lt1117设置1.2V，+1.8V，+2.5V，对于功率需求相对较大+3.3V采用线性稳压块Lt1085，这样可以满足绝大多数外部MCU的供电需求。
温度控制电路
温度的检测可以通过热敏电阻来反馈，用电桥可以把热敏电阻阻值的变化经过放大转成电压值，通过外部算法再反馈一个电压值控制制冷器或加热器改变APD的温度，U306的运放构成射级跟随器，提高输出电压的带动能力，这个反馈值的后级可以解专用的4-20mA温控模块。
通常用于门脉冲探测电路的探测门宽度通常在数纳秒到数十纳秒之间，其中门宽越窄，探测性能越好，性噪比越高，本实施例的门宽可以做到2纳秒以下。
本实施例需要的其他模块，包括时钟源、单光子源、供电模块，制冷器，制冷器电源和对APD工作参数进行调整的控制模块。开关电源为整个模块供电，制冷器有专门的供电电源。
系统正常工作时，外部时钟源提供时钟信号一路作为单光子源的触发信号，一路作为本实施例的时钟基准。时钟输入后经过电平转换，产生初级门控脉冲；温度检测模块将APD的实时温度反馈回来，在外部MCU控制模块中进行运算转换后，通过模块引出的IO线对数模转换电路中的D/A控制，控制温度反馈端的电压，改变制冷器的输出功率，以达到改变(稳定)APD工作温度的效果。同时外部MCU控制模块控制其他两块D/A，分别调整偏压模块的电压输出和短门脉冲的宽度。手动调节设置好电容平衡和鉴别电平，就可以开始对单光子进行检测计数了。通过MCU控制模块控制延时量的大小，使门脉冲开启的时间和光子到达的时间同步，APD就会在光子的激发下产生雪崩信号，经过电容平衡模块抵消尖峰脉冲，提取出雪崩脉冲，经过鉴别，整形，转成数字信号输出，就可以完成对单光子计数的功能。
实例中+5V，-5V开关电源可以使用leaton k20-5D型AC-DC开关电源；制冷器电源选择4-20mA可调电源；制冷器可根据需要选用多极半导体制冷决；时钟源可选用信号发生器，如：Agilent 33250A；单光子源为准单光子源，可在半导体激光器后加衰减器衰减到单光子水平。

Claims (3)

1.一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于该电路模块包括输入信号处理电路和门脉冲产生电路、偏压产生电路、雪崩鉴别电路、数模转换电路、输出信号处理电路，其中输入信号处理和门脉冲产生电路产生的门控脉冲为窄脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述输入信号处理和门脉冲产生电路包括转换器、与非门、延时芯片、单稳态电路芯片、微分电路、高速比较器，其中输入的时钟信号经过转换器、起缓冲和选择功能的与非门，进入延时芯片进行精密延时后，由单稳态电路芯片产生一个稳定的初级门控脉冲用于后级短脉冲的产生，经过微分电路后，在输出端设置高速比较器，在高速比较器的反向输入端设置一定的阈值电平，产生窄门脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述雪崩鉴别电路采用的是电容平衡的差分探测方式，该电路包括平衡电容、差分运算放大器、带通滤波器、高速的比较器，其中APD产生的信号和平衡电容产生的信号在高速的差分运算放大器中相减，将雪崩信号提取出来，经过一个带通滤波器滤掉高低频的干扰，由高速的比较器进行鉴别比较输出。
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