CN104020702B - 死时间产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单光子探测器的死时间产生方法,该方法使用了控制器对光电脉冲信号进行屏蔽以产生死时间，当检测到有效光子信号后，通过对内部时钟计数的方式将屏蔽电信号拉低，并利用逻辑与运算使光电脉冲信号在屏蔽电信号低电平时不会输出，从而实现了单光子探测器中的死时间控制。本发明简化了死时间的产生方法，避免了传统的反馈控制电路存在的“控制盲区”问题，使得单光子探测在高重复频率下依然可以实现精确地死时间控制，数字化的时间控制方法也使得死时间的设定范围和精度得到提升，并支持动态修改功能，具有更好的灵活性和稳定性；有效提升了单光子探测的数据可靠性。

Description

死时间产生方法

技术领域

本发明涉及单光子探测器领域，具体涉及在高速单光子探测器中，提供一种死时间产生方法。

背景技术

单光子探测技术是指能够对单个光子产生响应的光电探测技术，其超高灵敏度使其在超灵敏光谱，量子通信，生物发光等领域有着广泛的应用。目前实现单光子探测技术的手段有雪崩光电二极管(APD)探测，超导探测，光电倍增管探测等。其中利用雪崩光电二极管APD实现的单光子探测器工作稳定、驱动简单，是目前被使用得最多的单光子探测实现手段。

衡量雪崩光电二极管APD单光子探测器的性能好坏有几项重要参数包括:暗计数、量子效率和后脉冲等。其中后脉冲的产生是由于当雪崩光电二极管APD工作处在雪崩状态下时，光子打出的电子将产生持续的碰撞电离，PN结中的载流子将不断增加，虽然可以通过关闭“门脉冲”的方式使雪崩光电二极管APD淬灭，但是载流子并不能在短时间内完全释放，这样当下一个门脉冲到来时，残留的载流子可能造成一次额外的计数，这个信号脉冲就称之为后脉冲，后脉冲并不是由光子激发产生的，属于误计数，在某些特殊的应用如量子通信中，后脉冲将极大的影响系统的误码率。

目前，为了减少后脉冲，一种有效的方法是对探测器设定死时间，所谓死时间是指在产生一次有效光子计数后的一段时间内不再对新的信号进行响应。当前常采用的死时间的实现办法是利用光子信号作为反馈，在得到一次有效计数后，利用电路逻辑处理手段在一段时间内屏蔽门脉冲。这种方式存在一个显著的缺陷，就是反馈建立的时间往往较长，从得到有效的光子信号，再到信号处理，最后关断门脉冲，这段时间往往超过10ns，形成一段“控制盲区”。这段延时对于低重复频率(100MHz以下)不会造成影响，但是对于更高频率(大于100MHz)而言，由于门脉冲的周期小于10ns，因此在反馈还未建立之前会有新的门脉冲送出，这些门脉冲由于紧挨着有效光子信号，因此更容易产生后脉冲。这种弊端会随着频率的升高变得更加明显，严重影响死时间的控制效果。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种可实现能够避免建立反馈时间从而精确控制死时间的死时间产生方法。

本发明提供了一种死时间产生方法，应用在雪崩光电二极管APD的探测中，利用屏蔽电信号对雪崩光电二极管APD的光电脉冲信号在预定拉低时间内进行屏蔽，从而使得光电脉冲信号不被响应，其特征在于，具有以下步骤：(1)设定控制器中计数器的计数值，根据被设定计数值通过控制器中的内部时钟获得预定拉低时间；(2)采集雪崩光电二极管APD发出的光电脉冲信号；(3)当判断到所采集的光电脉冲信号一旦处于上升沿后，控制器对光电脉冲信号进行数据采集；(4)当判断到所采集的光电脉冲信号一旦处于下降沿后，通过内部时钟开始计时预定拉低时间，同时，将屏蔽电信号的电平在预定拉低时间被形成低电平屏蔽电信号；(5)将所采集的光电脉冲信号和低电平屏蔽电信号进行逻辑与运算，所采集的光电脉冲信号在预定拉低时间内不进行输出，所采集的光电脉冲信号不被响应；其中，所采集的光电脉冲信号不被响应的死时间的长度等于计数值除以内部时钟的频率得到的时间长度。

在本发明所提供的死时间产生方法，还可以具有这样的特征：其中，内部时钟的频率通过晶振倍频后产生的频率确定，根据设定计数值步骤和计数值得到死时间。

在本发明所提供的死时间产生方法，还具有这样的特征，还包括以下步骤：雪崩光电二极管APD通过接收由控制器发出的驱动信号被驱动开始工作。

在本发明所提供的死时间产生方法，还可以具有这样的特征：其中，控制器通过现场可编程逻辑阵列FPGA实现。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的死时间产生方法，控制器产生一个高频率内部时钟，当控制器采集到一个有效的光电脉冲信号时，在光电脉冲信号的下降沿到来时开始计数，并根据死时间的宽度要求产生屏蔽电信号(屏蔽电信号在死时间范围内为低电平，其余时间为高电平)，然后把屏蔽电信号和光电脉冲信号进行逻辑与运算并输送出，这样在屏蔽电信号的作用下，死时间内所有的光电脉冲信号被屏蔽，即获得带有严格宽度死时间要求的输出信号，当屏蔽电信号重新拉高后，控制器又可以对下一次光电脉冲信号进行响应，这样周而复始的进行，即可实现精确的死时间控制功能。本发明使用了控制器对雪崩光电二极管APD的输出信号进行屏蔽以产生死时间，并支持死时间范围的精确调节。本发明简化了死时间的产生方法，并从实现机制上确保了不会有“控制盲区”产生，使得单光子探测器在高频时仍可获得良好的后脉冲抑制效果，即可实现精确的死时间控制功能。数字化的时间控制方法也使得死时间的设定范围和精度得到提升，并支持动态修改功能，具有更好的灵活性和稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中的死时间产生方法的框图；

图2是本发明实施例中的死时间产生方法的流程图；以及

图3是本发明实施例中的死时间产生方法中的现场可编程逻辑阵列FPGA产生死时间的时序图。

具体实施案例

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所涉及的死时间产生方法作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明实施例中的死时间产生方法的框图。

如图1所示，在本实施例中的死时间产生方法100中的控制器采用现场可编程逻辑阵列FPGA。现场可编程逻辑阵列FPGA中的内部时钟频率为200MHz，通过外部晶振倍频后产生，现场可编程逻辑阵列FPGA中的计数器对内部时钟计数。

图2是本发明实施例中的死时间产生方法的流程图。

如图2所示，在本实施例中的死时间产生方法100步骤如下：

步骤S-1：

设定计数器的计数值，如果要实现100ns的死时间，则设定计数值为20即可。

步骤S-2：

现场可编程逻辑阵列FPGA产生门脉冲驱动信号驱动雪崩光电二极管APD开始工作。

步骤S-3：

将雪崩光电二极管APD采集到单光子信号后将单光子信号的光电脉冲信号signal传送给现场可编程逻辑阵列FPGA。

步骤S-4：

当现场可编程逻辑阵列FPGA判断到采集到的光电脉冲信号signal出现上升沿时，现场可编程逻辑阵列FPGA对光电脉冲信号signal进行数据采集。

步骤S-5：

当现场可编程逻辑阵列FPGA判断到采集到的光电脉冲信号signal出现下降沿时，现场可编程逻辑阵列FPGA中的计数器开始对内部时钟进行计数，同时，现场可编程逻辑阵列FPGA将屏蔽电信号mask的电平拉低得到低电平屏蔽信号，低电平屏蔽信号的低电平时间长度等于内部时钟计数时间长度。

步骤S-6：

将现场可编程逻辑阵列FPGA将采集的光电脉冲信号signal和低电平屏蔽信号进行逻辑与运算后，输送出输出信号。

图3是本发明实施例中的死时间产生方法中的现场可编程逻辑阵列FPGA产生死时间的时序图。

如图3所示，图3中包含频率为200MHz的内部时钟21、光电脉冲信号22、低电平屏蔽信号23和输出信号24。

内部时钟21作为现场可编程逻辑阵列FPGA主时钟，管理内部时序。现在假设需要控制死时间长度为35ns，则设定计数器的计数值为7，根据内部时钟的频率200MHz和计数值7可以确定预定拉低时间即死时间长度为35ns。

光电脉冲信号signal22中含有第一个脉冲、第二个脉冲和第三个脉冲。第一个脉冲含有上升沿22a和下降沿22b，第三个脉冲含有上升沿22c。现场可编程逻辑阵列FPGA接收到的光电脉冲信号signal包含有效光电脉冲信号和后脉冲信号，为了更好的说明本发明，现假设图3中第一个脉冲和第三个脉冲为有效光电脉冲信号，第二个脉冲为后脉冲信号。

低电平屏蔽电信号23中含有低电平信号23a。

本实施例中，当有光电脉冲信号signal从雪崩光电二极管APD输送出时，现场可编程逻辑阵列FPGA通过内部时钟接收光电脉冲信号signal后，判断得到到光电脉冲信号signal22中出现第一个脉冲的上升沿22a时，现场可编程逻辑阵列FPGA进行数据采集。当现场可编程逻辑阵列FPGA判断得到光电脉冲信号signal22中出现第一个脉冲的下降沿22b时，计时器开始对内部时钟21进行计数，同时将屏蔽电信号mask的在计数期间内的电平拉低，得到低电平屏蔽信号23。低电平屏蔽信号23的低电平信号23a长度由所设定的计数值确定的死时间决定。当计数器计满7即7个内部时钟周期时，拉高低电平屏蔽信号23的电平。当现场可编程逻辑阵列FPGA判断得到光电脉冲信号signal22中第三个脉冲的上升沿22c时，这样周而复始的进行数据采集。最后将光电脉冲信号signal22和低电平屏蔽信号23做逻辑与运算后，现场可编程逻辑阵列FPGA输送出输出信号24。

由于第二个脉冲处在低电平屏蔽信号23的低电平信号23a持续的时间内，因此由现场可编程逻辑阵列FPGA送出的输出信号24仅保留了有效光电脉冲信号signal中的第一个脉冲和第三个脉冲，第二个脉冲即后脉冲信号被屏蔽，将不被响应。

实施例的作用与效果

根据本发明所涉及的死时间产生方法，控制器产生一个高频率内部时钟，当控制器采集到一个有效的光电脉冲信号时，在光电脉冲信号的下降沿到来时开始计数，并根据死时间的宽度要求产生屏蔽电信号(屏蔽电信号在死时间范围内为低电平，其余时间为高电平)，然后把屏蔽电信号和光电脉冲信号信号进行逻辑与运算并输送出，这样在屏蔽电信号的作用下，死时间内所有的光电脉冲信号被屏蔽。即获得带有严格宽度死时间要求的输出信号。当屏蔽电信号重新拉高后，控制器又可以对下一次光电脉冲信号进行响应，这样周而复始的进行，即可实现精确的死时间控制功能。本发明使用了控制器对雪崩光电二极管APD的输出信号进行屏蔽以产生死时间，并支持死时间范围的精确调节；本发明简化了死时间的产生方法，并从实现机制上确保了不会有“控制盲区”产生，使得单光子探测器在高频时仍可获得良好的后脉冲抑制效果，即可实现精确的死时间控制功能。数字化的时间控制方法也使得死时间的设定范围和精度得到提升，并支持动态修改功能，具有更好的灵活性和稳定性。

在本实施例中的现场可编程逻辑阵列FPGA，用于对光电脉冲信号进行屏蔽以产生死时间，当检测到有效光电脉冲信号后，通过对内部时钟计数的方式将屏蔽电信号拉低，并利用逻辑与运算使光电脉冲信号在屏蔽电信号低电平时不会被输出，从而实现了单光子探测器中的死时间控制。从而简化了死时间的产生方法，避免了传统的反馈控制电路存在的“控制盲区”问题，使得单光子探测在高重复频率下依然可以实现精确地死时间控制，现场可编程逻辑阵列FPGA的数字化的时间控制方法也使得死时间的设定范围和精度得到提升，并支持动态修改功能，具有更好的灵活性和稳定性；有效提升了单光子探测的数据可靠性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种死时间产生方法，应用在雪崩光电二极管APD的探测中，利用屏蔽电信号对雪崩光电二极管APD的光电脉冲信号在预定拉低时间内进行屏蔽，从而使得光电脉冲信号不被响应，其特征在于，具有以下步骤：

(1)设定控制器中计数器的计数值，根据被设定所述计数值通过所述控制器中的内部时钟获得所述预定拉低时间；

(2)采集所述雪崩光电二极管APD发出的所述光电脉冲信号；

(3)当判断到所采集的光电脉冲信号一旦处于上升沿后，所述控制器对光电脉冲信号进行数据采集；

(4)当判断到所采集的光电脉冲信号一旦处于下降沿后，通过所述内部时钟开始计时所述预定拉低时间，同时，将所述屏蔽电信号的电平在所述预定拉低时间被形成低电平屏蔽电信号；

(5)将所采集的光电脉冲信号和所述低电平屏蔽电信号进行逻辑与运算，所述所采集的光电脉冲信号在所述预定拉低时间内不进行输出，所采集的光电脉冲信号不被响应；

其中，所述所采集的光电脉冲信号不被响应的死时间的长度等于所述计数值除以所述内部时钟的频率得到的时间长度。

2.根据权利要求1所述的死时间产生方法，其特征在于：

其中，所述内部时钟的频率通过晶振倍频后产生的频率确定。

3.根据权利要求1所述的死时间产生方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述雪崩光电二极管APD通过接收由所述控制器发出的驱动信号被驱动开始工作。

4.根据权利要求1所述的死时间产生方法，其特征在于：

其中，所述控制器通过现场可编程逻辑阵列FPGA实现。