CN107271058A - 一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，包括单光子探测器、偏置电压单元以及门控脉冲单元，且单光子探测器的阴极通过电阻Rq连接偏置电压单元，单光子探测器的阳极通过电阻Rs接地，控制电路还包括主动自反馈淬火电路单元，主动自反馈淬火电路单元连接在单光子探测器的阳极，主动自反馈淬火电路单元包括滤波放大器、比较器、淬火控制单元及探测结果输出单元。与现有技术相比，本发明采用主动自反馈淬火电路单元对雪崩触发的单光子探测器进行淬火控制，该淬火电路及方法不仅能够在极短的时间内准确探测微弱雪崩信号，同时可极快的淬灭雪崩并复位，大幅度的提高了单光子的探测效率，也在一定程度上降低了系统电路的冗杂度，降低了系统实现的成本。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信和微弱光信号技术领域，特别涉及一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法。
背景技术
单光子探测技术是一种实现单个光子量级微弱光检测的方法，在量子通信、光谱测量、放射探测、高能物理、天文测距、激光雷达等领域有着十分广泛的应用。在目前的量子通信实验中，大量采用单光子的状态作为信息载体进行编码和处理，单光子探测技术在其中起着极为关键的作用。
雪崩光电二极管(APD)单光子探测器以其体积小、低功耗、高性能、实用化等特点在量子通信实验中广泛使用。APD的光谱响应覆盖范围很广，主要有三种：Si-APD、Ge-APD、InGaAs/InP-APD，分别对应着400nm～1100nm，800nm～1550nm，900nm～1700nm不同波段的光。在对应的量子通信窗口，单光子的能量都在10-19J量级，达到现有探测器的探测灵敏度极限，研究和改进APD的淬火驱动技术，可实现单光子信号的有效探测。
作为量子信号获取的核心器件，单光子探测器的探测效率、暗计数、计数率等参数直接影响着量子通信的传输距离和成码率等关键性能。探测效率、暗计数等因素受制于探测器本身的性能，而计数率主要由控制驱动电路的死时间决定。
在单光子探测应用中通常工作在所谓的盖革模式，即APD两端的偏置电压高于其雪崩电压。在盖革模式中，一旦有光子或热生成的载流子到达触发雪崩，就在电路中产生电流脉冲信号。为了保证器件的安全工作，需要使用适当的淬火驱动电路，使雪崩发生后迅速地切断雪崩，并使APD恢复到接收光子的状态。
单光子探测器的淬火方式一般有三种：被动淬火、主动淬火、以及门控方式。被动淬火电路利用电阻串联来降低APD反向偏压，其死时间较大，影响单光子探测效率。主动淬火采用自反馈的方式可快速淬灭雪崩，并在很短时间内恢复到雪崩前的水平，其优点是死时间短，但通常电路设计复杂。门控方式常用于光子到达时间已知的单光子探测中，使用门控信号进行淬火控制，其优点是可有效降低暗计数和后脉冲发生概率，但要求门信号与光信号精准同步，且无法减少电路读出的死时间，高速应用受限于计数率。
发明内容
本发明目的在于提供一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法，以实现系统能够在极短的时间内准确鉴别微弱雪崩信号，及时淬灭雪崩并复位，可有效抑制系统噪声，实现单光子信号的高速率探测的技术效果。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，包括单光子探测器、偏置电压单元以及门控脉冲单元，单光子探测器的阴极分别与偏置电压单元、门控脉冲单元连接，且单光子探测器的阴极通过电阻Rq连接偏置电压单元，单光子探测器的阳极通过电阻Rs接地，所述控制电路还包括主动自反馈淬火电路单元，所述主动自反馈淬火电路单元连接在单光子探测器的阳极，所述主动自反馈淬火电路单元包括滤波放大器、比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述滤波放大器的输入端连接单光子探测器的阳极，所述滤波放大器的输出端依次连接比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述淬火控制单元的一输出端连接有可使单光子探测器阳极端电压升高致单光子探测器雪崩熄灭的电压控制器S_quench，所述电压控制器S_quench一端连接有用于平衡单光子探测器偏置电压的电源V_q，另一端连接单光子探测器阳极。
优选地，所述淬火控制单元包括第一D触发器以及第一延时芯片T1，所述第一D触发器的S接口连接比较器，所述第一D触发器的R接口通过第一延时芯片T1连接电压控制器S_quench，所述第一D触发器的Q接口连接探测结果输出单元。
优选地，所述主动自反馈淬火电路单元还包括偏置复位控制单元，所述偏置复位控制单元包括第二D触发器与第二延时芯片T2，所述第二D触发器的S接口连接第一D触发器的/Q接口，所述第二D触发器的R接口连接第二延时芯片T2的一端，所述第二D触发器的Q接口通过复位开关S_reset连接GND，所述复位开关S_reset的另一端连接光子探测器的阳极。
优选地，所述控制电路还包括温控电路，所述温控电路为TEC制冷驱动电路单元，所述TEC制冷驱动电路单元连接单光子探测器。
本发明还公开了一种高速自反馈的单光子探测淬火控制方法，包括以下步骤：
1)单光子探测器触发：光子到达时单光子探测器，触发雪崩，产生微弱的雪崩电流脉冲信号；
2)淬火控制：雪崩电流脉冲信号经滤波放大后，比较器探测到Rs两端的电压降，并通过第一D触发器输出高电平信号使电压控制器S_quench闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压升高到V_q，使单光子探测器两端压降降低，雪崩熄灭，完成主动淬火；
3)复位控制：第一D触发器的/Q接口输出信号进入第二D触发器，对第二D触发器进行触发，第二D触发器输出电平脉冲使复位开关S_reset闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压下降到GND，导致单光子探测器两端压降恢复到雪崩前，实现偏置复位控制。
4)淬火、复位控制复位：雪崩熄灭，当单光子探测器阳极的端电压恢复到GND水平时，电压控制器S_quench断开，复位开关S_reset断开，电路准备好进行下一次光子探测；
5)信号输出：第一D触发器输出信号进入探测结果输出单元，经过电平转换和调节，输出标准的电平信号LVDS/LVTTL，作为光子计数和光子到达时间的测量之用。
上述方法中，所述单光子探测器温控由TEC制冷驱动电路单元实现，使其工作在-40℃的稳定环境。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法，采用主动自反馈淬火电路单元对雪崩触发的单光子探测器进行淬火控制，该淬火电路及方法不仅能够在极短的时间内准确探测微弱雪崩信号，同时可极快的淬灭雪崩并复位，大幅度的提高了单光子的探测效率，也在一定程度上降低了系统电路的冗杂度，降低了系统实现的成本。
附图说明
图1为本发明高速自反馈的单光子探测淬火控制电路的原理框图。
图中：单光子探测器100，偏置电压单元200，门控脉冲单元300，主动自反馈淬火电路单元400，滤波放大器410，比较器420，淬火控制单元430，第一D触发器431，第一延时芯片T1 432，探测结果输出单元440，偏置复位控制单元450，第二D触发器451，第二延时芯片T2452，温控电路500。
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，一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，包括单光子探测器100、偏置电压单元200以及门控脉冲单元300，所述单光子探测器100采用雪崩二极管实现，单光子探测器100的阴极分别与偏置电压单元200、门控脉冲单元300连接，且单光子探测器的阴极通过电阻Rq连接偏置电压单元200，电阻Rq用于分压，单光子探测器100的阳极通过电阻Rs接地，所述控制电路还包括主动自反馈淬火电路单元400，所述主动自反馈淬火电路单元400连接在单光子探测器100的阳极，所述主动自反馈淬火电路单元400包括滤波放大器410、比较器420、淬火控制单元430以及探测结果输出单元440，所述滤波放大器410的输入端连接单光子探测器100的阳极，所述滤波放大器410的输出端依次连接比较器420、淬火控制单元430以及探测结果输出单元440，所述淬火控制单元430的一输出端连接有可使单光子探测器100阳极端电压升高致单光子探测器100雪崩熄灭的电压控制器S_quench，所述电压控制器S_quench采用NMOS管，所述电压控制器S_quench一端连接有用于平衡单光子探测器100偏置电压的电源V_q，另一端连接单光子探测器100阳极。
所述淬火控制单元430包括第一D触发器431以及第一延时芯片T1 432，所述第一D触发器431的S接口连接比较器420，所述第一D触发器431的R接口通过第一延时芯片T1 432连接电压控制器S_quench，所述第一D触发器431的Q接口连接探测结果输出单元440。
所述主动自反馈淬火电路单元400还包括偏置复位控制单元450，所述偏置复位控制单元450包括第二D触发器451与第二延时芯片T2 452，所述第二D触发器451的S接口连接第一D触发器431的/Q接口，所述第二D触发器451的R接口连接第二延时芯片T2 452的一端，所述第二D触发器451的Q接口通过复位开关S_reset连接GND，所述复位开关S_reset采用PMOS管，所述复位开关S_reset的另一端连接光子探测器100的阳极。
所述控制电路还包括温控电路500，所述温控电路500为TEC制冷驱动电路单元，所述TEC制冷驱动电路单元连接单光子探测器100。
本发明涉及的电路单元如下：
(1)滤波放大器410：主要实现雪崩二极管雪崩初始信号的滤波和放大，抑制尖峰噪声，提取有效雪崩信号，采用LFCN575+滤波器和ADA4960-1放大器的两级滤波放大；
(2)比较器：主要实现雪崩信号的有效快速甄别，采用高速比较器ADCM572，阈值可调；
(3)淬火控制单元：主要实现雪崩二极管雪崩淬灭控制，通过探测比较器输出信号，快速抑制雪崩并淬灭。采用高速D触发器SY55852，延时线芯片DS1100，MC100EP系列的ECL高速电平转换芯片，可实现4ns-20ns的可调淬灭电平控制；
(4)偏置复位控制单元：主要实现雪崩二极管偏置复位控制，通过接受淬灭结束信号的触发，快速复位雪崩二极管偏置电压，等待下一次探测。采用高速D触发器SY55852，延时线芯片DS1100，MC100EP系列的ECL高速电平转换芯片，可实现4ns-20ns的可调复位电平控制；
(5)电压控制器S_quench与复位开关S_reset：主要实现淬灭电平和复位电平的快速导通和关断。采用NMOS管和PMOS管，作为控制开关；
(6)探测结果输出单元：主要实现输出雪崩二极管探测的标准电平信号，作为光子计数和光子到达时间的测量之用。采用MC100EP系列的ECL高速电平转换芯片，可输出LVDS和LVTTL两种不同的标准信号。
本发明还公开了一种高速自反馈的单光子探测淬火控制方法，包括以下步骤：
1)单光子探测器触发：光子到达时单光子探测器，触发雪崩，产生微弱的雪崩电流脉冲信号；
2)淬火控制：雪崩电流脉冲信号经滤波放大后，比较器探测到Rs两端的电压降，并通过第一D触发器输出高电平信号使电压控制器S_quench闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压升高到V_q，使单光子探测器两端压降降低，雪崩熄灭，完成主动淬火；
3)复位控制：第一D触发器的/Q接口输出信号进入第二D触发器，对第二D触发器进行触发，第二D触发器输出电平脉冲使复位开关S_reset闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压下降到GND，导致单光子探测器两端压降恢复到雪崩前，实现偏置复位控制。
4)淬火、复位控制复位：雪崩熄灭，当单光子探测器阳极的端电压恢复到GND水平时，电压控制器S_quench断开，复位开关S_reset断开，电路准备好进行下一次光子探测；
5)信号输出：第一D触发器输出信号进入探测结果输出单元，经过电平转换和调节，输出标准的电平信号LVDS/LVTTL，作为光子计数和光子到达时间的测量之用。
上述方法中，所述单光子探测器温控由TEC制冷驱动电路单元实现，使其工作在-40℃的稳定环境。
本发明单光子探测淬火控制方法的实施例如下：
雪崩二极管由一个直流高压所偏置，直流高压一般高于雪崩电压；雪崩二极管温控由TEC制冷驱动电路单元实现，使其工作在-40℃的稳定环境；门控脉冲电路实现系统触发信号与输入光信号的同步，用于降低暗计数的影响。滤波放大器实现雪崩信号的降噪放大。第一D触发器和延时芯片T1组成的电路完成雪崩二极管雪崩淬灭控制，第二D触发器和延时芯片T2组成的电路完成雪崩二极管偏置复位控制。
雪崩二极管串联一个电阻Rq，这时雪崩二极管处于探测光子的准备阶段。当有光子到达时，触发雪崩，产生微弱的雪崩电流脉冲信号。经滤波放大后，反馈电路中的比较器迅速地探测到电阻Rs两端的电压降，并通过第一D触发器输出高电平信号使电压控制器S_quench闭合，进而使雪崩二极管阳极的端电压升高到V_q，一般为10V左右，导致雪崩二极管两端压降降低，雪崩熄灭，从而实现了主动淬火。第一D触发器输出触发脉冲由一个可调延时的电路进行复位控制，使其输出电平脉宽为T1，以使工作电压在一段时间内维持在熄灭水平,从而实现了雪崩主动淬火。
其后，第一D触发器的负向输出信号(/Q)进入第二D触发器，即雪崩淬灭后立即触发第二D触发器，输出宽度为T2的电平脉冲使复位开关S_reset闭合，进而使雪崩二极管阳极的端电压下降到GND，导致雪崩二极管两端压降恢复到雪崩前，实现偏置复位控制，电路准备好下一次光子探测。雪崩熄灭，最后，当雪崩二极管阳极的端电压恢复到GND水平时，电压控制器S_quench断开，复位开关S_reset断开，电路准备好进行下一次光子探测。
第一D触发器输出信号进入探测结果输出单元，经过电平转换和调节，输出标准的电平信号(LVDS/LVTTL)，作为光子计数和光子到达时间的测量之用。
上述主动自反馈淬火电路单元中，T1为雪崩二极管雪崩淬灭控制时间，其值在4ns-20ns可调，步长为4ns；T2为APD偏置复位控制时间，其值在4ns-20ns可调，步长为4ns。T1电平的下降沿触发T2电平，其延时仅为400ps。可知，完成一次光子信号探测的时间为T＝T1+T2+T0，T0为雪崩二极管探测响应时间和器件延时，一般总值小于2ns。因此，此方案下的单光子探测死时间可调至最小10ns，可实现100M counts/s的高速计数。
综合本发明的结构与原理可知，本发明的高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法，采用主动自反馈淬火电路单元对雪崩触发的单光子探测器进行淬火控制，该淬火电路及方法不仅能够在极短的时间内准确探测微弱雪崩信号，同时可极快的淬灭雪崩并复位，大幅度的提高了单光子的探测效率，也在一定程度上降低了系统电路的冗杂度，降低了系统实现的成本。
Claims (6)
1.一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，包括单光子探测器、偏置电压单元以及门控脉冲单元，单光子探测器的阴极分别与偏置电压单元、门控脉冲单元连接，且单光子探测器的阴极通过电阻Rq连接偏置电压单元，单光子探测器的阳极通过电阻Rs接地，其特征在于：所述控制电路还包括主动自反馈淬火电路单元，所述主动自反馈淬火电路单元连接在单光子探测器的阳极，所述主动自反馈淬火电路单元包括滤波放大器、比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述滤波放大器的输入端连接单光子探测器的阳极，所述滤波放大器的输出端依次连接比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述淬火控制单元的一输出端连接有可使单光子探测器阳极端电压升高致单光子探测器雪崩熄灭的电压控制器S_quench，所述电压控制器S_quench一端连接有用于平衡单光子探测器偏置电压的电源V_q，另一端连接单光子探测器阳极。
2.如权利要求1所述的高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，其特征在于，所述淬火控制单元包括第一D触发器以及第一延时芯片T1，所述第一D触发器的S接口连接比较器，所述第一D触发器的R接口通过第一延时芯片T1连接电压控制器S_quench，所述第一D触发器的Q接口连接探测结果输出单元。
3.如权利要求2所述的高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，其特征在于，所述主动自反馈淬火电路单元还包括偏置复位控制单元，所述偏置复位控制单元包括第二D触发器与第二延时芯片T2，所述第二D触发器的S接口连接第一D触发器的/Q接口，所述第二D触发器的R接口连接第二延时芯片T2的一端，所述第二D触发器的Q接口通过复位开关S_reset连接GND，所述复位开关S_reset的另一端连接光子探测器的阳极。
4.如权利要求3所述的高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括温控电路，所述温控电路为TEC制冷驱动电路单元，所述TEC制冷驱动电路单元连接单光子探测器。
5.一种高速自反馈的单光子探测淬火控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)单光子探测器触发：光子到达时单光子探测器，触发雪崩，产生微弱的雪崩电流脉冲信号；
2)淬火控制：雪崩电流脉冲信号经滤波放大后，比较器探测到Rs两端的电压降，并通过第一D触发器输出高电平信号使电压控制器S_quench闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压升高到V_q，使单光子探测器两端压降降低，雪崩熄灭，完成主动淬火；
3)复位控制：第一D触发器的/Q接口输出信号进入第二D触发器，对第二D触发器进行触发，第二D触发器输出电平脉冲使复位开关S_reset闭合，进而使单光子探测器阳极的端电压下降到GND，导致单光子探测器两端压降恢复到雪崩前，实现偏置复位控制。
4)淬火、复位控制复位：雪崩熄灭，当单光子探测器阳极的端电压恢复到GND水平时，电压控制器S_quench断开，复位开关S_reset断开，电路准备好进行下一次光子探测；
5)信号输出：第一D触发器输出信号进入探测结果输出单元，经过电平转换和调节，输出标准的电平信号LVDS/LVTTL，作为光子计数和光子到达时间的测量之用。
6.如权利要求5所述的高速自反馈的单光子探测淬火控制方法，其特征在于，所述单光子探测器温控由TEC制冷驱动电路单元实现，使其工作在-40℃的稳定环境。
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