CN107167251A - 一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，包括雪崩光电二极管、直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元、温度控制电路单元以及FPGA电路单元，雪崩光电二极管的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元以及正弦门脉冲产生电路单元，雪崩光电二极管的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元。与现有技术相比，本发明通过采用APD的偏置电压为直流偏置电压和正弦门脉冲的叠加信号，在正弦门脉冲信号正半周期，APD的偏置电压大于雪崩击穿电压，由于雪崩效应产生雪崩信号，叠加到正弦门脉冲信号经过APD结电容后产生的噪声上，然后利用滤波放大整形电路单元滤除正弦门脉冲噪声信号，进一步的提高了单光子的探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测技术领域，特别涉及一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器。
背景技术
单光子探测器在量子信息、激光测距、空间光通讯等领域得到广泛应用。雪崩光电二极管是一种利用雪崩效应原理探测单光子的常用元器件。雪崩光电二极管的雪崩淬灭方式有三种：无源抑制、有源抑制和门脉冲模式。相比与前两种方式，采用门脉冲模式检测单光子的优点是：能抑制门脉冲时间以外杂散光子的干扰，缩短雪崩时间，降低暗计数和提高光子计数率。门脉冲模式主要有矩形门脉冲、正弦门脉冲两种。由于APD(雪崩光电二极管)结电容的影响，门脉冲信号加载到APD后会在输出端产生噪声信号，如何有效抑制APD的噪声并提取APD雪崩信号是目前高速单光子探测器的主要问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，可以有效抑制由于APD结电容的影响，门脉冲信号加载到APD后在输出端产生的噪声信号，从而提高单光子探测效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，包括雪崩光电二极管、直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元、温度控制电路单元以及FPGA电路单元，所述雪崩光电二极管的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元以及通过一电容连接正弦门脉冲产生电路单元，所述雪崩光电二极管的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元并通过一电阻接地，所述直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元以及温度控制电路单元均与FPGA电路单元相连。
优选地，所述正弦门脉冲产生电路单元包括依次连接的时钟选择器、延迟芯片、锁相环RF开关、衰减器以及射频放大器，所述时钟选择器的输入端可连接外部参考时钟信号或者内部参考时钟信号，所述射频放大器输出端通过电容C1连接雪崩光电二极管的反向端。
优选地，所述滤波放大整形电路单元包括低通滤波器、运算放大器、比较器、DAC、D触发器以及延时芯片，所述低通滤波器依次连接运算放大器以及比较器的一个输入端，所述DAC的输入端连接FPGA电路单元，DAC的输出端连接比较器的另一个输入端，所述比较器的输出端连接D触发器的时钟输入端，所述D触发器的输出端通过延时芯片连接自身的复位端。
优选地，所述滤波放大整形电路单元包括两级低通滤波器以及两级运算放大器，所述两级低通滤波器分别连接在两级运算放大器的两端，其中后端的低通滤波器连接比较器。
优选地，所述温度控制电路单元包括一温度控制芯片、热敏电阻、半导体制冷器、电阻网络以及DAC，所述温度控制芯片包括第一放大器Chop1与第二放大器Chop2，所述热敏电阻、半导体制冷器内置在雪崩光电二极管的封装中，所述热敏电阻经过电阻网络连接第一放大器Chop1；所述FPGA电路单元控制连接DAC，所述DAC连接第二放大器Chop2；第二放大器Chop2和外围电阻、电容组成的PID网络。
优选地，所述电阻网络包括电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述外围电阻、电容分别为电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电容C1、电容C2、电容C3。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，APD的偏置电压为直流偏置电压和正弦门脉冲的叠加信号，直流偏置电压等于或稍小于APD的雪崩击穿电压100mV，在正弦门脉冲信号正半周期，APD的偏置电压大于雪崩击穿电压，APD处于盖革模式下接收到单光子后，由于雪崩效应产生雪崩信号，叠加到正弦门脉冲信号经过APD结电容后产生的噪声上，然后利用滤波放大整形电路单元滤除正弦门脉冲噪声信号，也进一步的提高了单光子的探测效率。
附图说明
图1为本发明基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器的原理框图；
图2为本发明正弦门脉冲产生电路单元的原理框图：
图3为本发明滤波放大整形电路单元的原理框图：
图4为本发明温度控制电路单元的原理框图。
图中：雪崩光电二极管100，直流偏置电压产生电路单元200，正弦门脉冲产生电路单元300，时钟选择器301，延迟芯片302，锁相环303，RF开关304，衰减器305，射频放大器306，滤波放大整形电路单元400，低通滤波器401，运算放大器402，比较器403，DAC 404，D触发器405，温度控制电路单元500，温度控制芯片501，热敏电阻502，半导体制冷器503，DAC504，FPGA电路单元600。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，包括雪崩光电二极管100、直流偏置电压产生电路单元200、正弦门脉冲产生电路单元300、滤波放大整形电路单元400、温度控制电路单元500以及FPGA电路单元600，所述雪崩光电二极管100的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元200以及通过一电容连接正弦门脉冲产生电路单元300，所述雪崩光电二极管100的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元400并通过一电阻接地，所述直流偏置电压产生电路单元200、正弦门脉冲产生电路单元300、滤波放大整形电路单元400以及温度控制电路单元500均与FPGA电路单元600相连。
如图2所示，所述正弦门脉冲产生电路单元300包括依次连接的时钟选择器301、延迟芯片302、锁相环303、RF开关304、衰减器305以及射频放大器306，所述时钟选择器301的输入端可连接外部参考时钟信号或者内部参考时钟信号，所述外部参考时钟信号或者内部参考时钟信号可由FPGA电路单元600产生，所述射频放大器306输出端通过电容C1连接雪崩光电二极管100的反向端，其中，外部参考时钟或内部参考时钟经过延迟调节精度为5ps的精密可调延迟芯片302后，输入锁相环303进行倍频，锁相环303输出1GHz的正弦波信号经过RF开关304、衰减器305和射频放大器306后，产生频率1GHz、幅度7Vpp的正弦门脉冲信号。延迟芯片302的作用是调节单光子脉冲与正弦门脉冲信号的相位，使得单光子脉冲位于正弦门脉冲信号正半周期峰顶处，此时APD两端的偏置电压最大，单光子探测效率最大。FPGA电路单元600控制多路时钟选择器301切换外部参考时钟和内部参考时钟。FPGA电路单元600控制RF开关304以使能正弦门脉冲信号。
如图3所示，所述滤波放大整形电路单元400包括低通滤波器401、运算放大器402、比较器403、DAC 404、D触发器405以及延时芯片，所述低通滤波器401依次连接运算放大器402以及比较器403的一个输入端，所述DAC 404的输入端连接FPGA电路单元600，DAC 404的输出端连接比较器403的另一个输入端，所述比较器403的输出端连接D触发器405的时钟输入端，所述D触发器405的输出端通过延时芯片连接自身的复位端，所述滤波放大整形电路单元400包括两级低通滤波器401以及两级运算放大器402，所述两级低通滤波器401分别连接在两级运算放大器402的两端，其中后端的低通滤波器401连接比较器403。其中，滤波放大整形电路单元400中，APD输出信号经过两级低通滤波器401和两级放大器402后，送到比较器403进行幅度甄别；低通滤波器401的插入损耗小于1.2dB，-3dB截止频率为770MHz，阻带在1GHz频率的衰减倍数大于40dB，能有效的滤除APD输出信号中的高频正弦门脉冲噪声；两级运算放大器402的总放大倍数为55倍；比较器403的阈值由FPGA电路单元600控制数模转换芯片进行调节，调节步长2.5mV；比较器403的输出脉冲信号连接到D触发器405的时钟输入端，引起D触发器405的翻转，D触发器405输出高电平信号经过延迟后复位D触发器405，D触发器405输出信号为固定脉宽的脉冲信号，脉宽等于延迟芯片输入到输出的延迟时间加上D触发器405复位到输出的延迟时间。
如图4所示，所述温度控制电路单元500包括一温度控制芯片501、热敏电阻502、半导体制冷器503、电阻网络以及DAC 504，所述温度控制芯片501包括第一放大器Chop1与第二放大器Chop2，所述热敏电阻502、半导体制冷器503内置在雪崩光电二极管100的封装中，所述热敏电阻502经过电阻网络连接第一放大器Chop1；所述FPGA电路单元600控制连接DAC504，所述DAC 504连接第二放大器Chop2；第二放大器Chop2和外围电阻、电容组成的PID网络。所述电阻网络包括电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述外围电阻、电容分别为电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电容C1、电容C2、电容C3。其中，温度控制电路采用了一块型号为ADN8831的温控芯片。APD封装内集成了热敏电阻502和半导体制冷器(TEC)503，热敏电阻(RTH)502经过电阻网络R1、R2和R3以及温控芯片内的放大器Chop1转换为电压值VOUT1；FPGA电路单元600控制DAC 504产生的目标温度参考电压值VTEMPSET；温控芯片内的另一个放大器Chop2和外围电阻、电容组成的PID网络将电压值VOUT1与VTEMPSET进行比较，产生驱动信号控制半导体制冷器进行制冷或加热，最终使得APD封装内温度为-50℃，稳定度为±0.1℃。
本发明的单光子探测器原理是：APD的偏置电压为直流偏置电压和正弦门脉冲的叠加信号，直流偏置电压等于或稍小于APD的雪崩击穿电压100mV，在正弦门脉冲信号正半周期，APD的偏置电压大于雪崩击穿电压，APD处于盖革模式下接收到单光子后，由于雪崩效应产生雪崩信号，叠加到正弦门脉冲信号经过APD结电容后产生的噪声上，然后利用低通滤波器滤除正弦门脉冲噪声信号，提取雪崩信号。
本发明包括的有益效果是：(1)单光子探测器的正弦门脉冲产生电路单元采用了锁相环、RF开关和射频放大器，有输入参考时钟选择和输出使能功能，输出门脉冲信号的频率为1GHz，幅度为7Vpp；(2)APD雪崩信号经过由低通滤波器、宽带差分放大器和高速差分甄别器组成的滤波放大整形电路，有效滤除APD的尖峰噪声，提取雪崩信号的功能；(3)温度控制电路结构简单，采用了温控芯片ADN8331对APD封装内集成的热敏电阻和半导体制冷器进行控制，使APD工作温度为-50℃±0.1℃。综上，本发明的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，APD的偏置电压为直流偏置电压和正弦门脉冲的叠加信号，直流偏置电压等于或稍小于APD的雪崩击穿电压100mV，在正弦门脉冲信号正半周期，APD的偏置电压大于雪崩击穿电压，APD处于盖革模式下接收到单光子后，由于雪崩效应产生雪崩信号，叠加到正弦门脉冲信号经过APD结电容后产生的噪声上，然后利用滤波放大整形电路单元滤除正弦门脉冲噪声信号，提取出有效的雪崩脉冲信号，也进一步的提高了单光子的探测效率。
Claims (6)
1.一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于：包括雪崩光电二极管、直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元、温度控制电路单元以及FPGA电路单元，所述雪崩光电二极管的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元以及通过一电容连接正弦门脉冲产生电路单元，所述雪崩光电二极管的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元并通过一电阻接地，所述直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元以及温度控制电路单元均与FPGA电路单元相连。
2.如权利要求1所述的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于，所述正弦门脉冲产生电路单元包括依次连接的时钟选择器、延迟芯片、锁相环RF开关、衰减器以及射频放大器，所述时钟选择器的输入端可连接外部参考时钟信号或者内部参考时钟信号，所述射频放大器输出端通过电容C1连接雪崩光电二极管的反向端。
3.如权利要求1或2所述的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于，所述滤波放大整形电路单元包括低通滤波器、运算放大器、比较器、DAC、D触发器以及延时芯片，所述低通滤波器依次连接运算放大器以及比较器的一个输入端，所述DAC的输入端连接FPGA电路单元，DAC的输出端连接比较器的另一个输入端，所述比较器的输出端连接D触发器的时钟输入端，所述D触发器的输出端通过延时芯片连接自身的复位端。
4.如权利要求3所述的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于，所述滤波放大整形电路单元包括两级低通滤波器以及两级运算放大器，所述两级低通滤波器分别连接在两级运算放大器的两端，其中后端的低通滤波器连接比较器。
5.如权利要求4所述的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于，所述温度控制电路单元包括一温度控制芯片、热敏电阻、半导体制冷器、电阻网络以及DAC，所述温度控制芯片包括第一放大器Chop1与第二放大器Chop2，所述热敏电阻、半导体制冷器内置在雪崩光电二极管的封装中，所述热敏电阻经过电阻网络连接第一放大器Chop1；所述FPGA电路单元控制连接DAC，所述DAC连接第二放大器Chop2；第二放大器Chop2和外围电阻、电容组成的PID网络。
6.如权利要求5所述的基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，其特征在于，所述电阻网络包括电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述外围电阻、电容分别为电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电容C1、电容C2、电容C3。
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