CN110118598A - 用于雪崩光电二极管的延时电路及集成单光子检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于雪崩光电二极管的延时电路及集成单光子检测电路，延时电路包括或门芯片、第一延时芯片、选择芯片、控选电路，或门芯片、第一延时芯片、选择芯片依次电连接，或门芯片的一个输入端作为整个延时电路的输入端并输入光子同步信号，所述选择芯片的输出端包括两个，其中一个作为延时电路的输出端，另一个与或门芯片的另一输入端连接，选择芯片包括选择控制端，控选电路的输出端与所述选择控制端连接。该发明的优点在于：能够对第一延时芯片重复利用，不需要多个延时芯片，该集成单光子检测电路可以降低功耗。

Description

用于雪崩光电二极管的延时电路及集成单光子检测电路

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于雪崩光电二极管的延时电路及集成单光子检测电路。

背景技术

在量子通信领域，使用光作为信息载体。为了保密性能提高，传输的光是量子态，即单光子。单光子检测功能模块是这种通信设备的必须模块。现有单光子检测方案如下：

1、首先对输入的信号进行延时。

2、雪崩光电二极管模块检测单光子需要工作在适当的状态。雪崩光电二极管模块包括驱动电路和二极管D1，其中焊接有驱动电路的驱动板位于盒体内部，雪崩光电二极管D1直接焊接在雪崩光电二极管模块驱动板上。驱动板输入外部驱动信号，输出侦测到的原始的光子信号。驱动板同时把雪崩光电二极管模块壳体上附属的温度传感器模块温度信号输出。

3、雪崩信号甄别电路板通过线缆接收到雪崩光电二极管模块输出的光子信号，并对此信号进行甄别。

4、雪崩光电二极管模块中二极管D1的温度通过粘附在其表面的热敏电阻检测。

5、雪崩信号甄别电路板产生雪崩光电二极管模块需要的驱动模拟信号。

6、雪崩信号甄别电路板采集雪崩光电二极管模块温度信号，并通过PI算法控制电源对制冷模块的供电。

现有的技术主要缺点：

(1)在现有的延时电路中，需要串联多个延时芯片，这样既浪费了物料成本，电路修改和调试也不方便。

(2)现有的集成单光子检测电路的缺点是：a.零部件多，供应商不同，工艺差别大；b.整体功耗大；c.安装调试复杂，工艺复杂；d.信号接口多，信号传输路径长，信号种类多，传输过程中损耗大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中延时电路成本高，调试不方便以及基于该集成单光子检测电路的零部件多、功耗大、安装调试不方便的问题，提供一种用于雪崩光电二极管的延时电路及集成单光子检测电路。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于雪崩光电二极管的延时电路，包括或门芯片、第一延时芯片、选择芯片、控选电路，或门芯片、第一延时芯片、选择芯片依次电连接，或门芯片的一个输入端作为整个延时电路的输入端并输入光子同步信号a，所述选择芯片的输出端包括两个，其中一个作为延时电路的输出端，另一个与或门芯片的另一输入端连接，选择芯片包括选择控制端，控选电路的输出端与所述选择控制端连接。

作为优化的技术方案，所述第一延时芯片还包括延时间隔控制端。

作为优化的技术方案，所述控选电路包括计数器、比较器，所述计数器包括复位端、时钟信号端、输出端，复位端与输入光子同步信号a的或门的输入端连接，时钟信号端与第一延时芯片的输出端连接，所述计数器的输出端与比较器的一个输入端连接，比较器的另一个输入端作为经过延时芯片次数控制端，连接经过延时芯片次数控制装置，比较器的输出端与所述的选择控制端连接。

本发明还公开了一种包括如上述任意一项技术方案所述的用于雪崩光电二极管的延时电路的集成单光子检测电路，包括延时电路、雪崩光电二极管模块、窄脉冲信号产生模块、雪崩信号甄别模块，所述延时电路的输出端与窄脉冲信号产生模块的输入端连接，所述窄脉冲信号产生模块包括信号第一输出端、信号第二输出端，雪崩信号甄别模块包括甄别第一输入端、甄别第二输入端、甄别输出端，所述信号第一输出端与雪崩光电二极管模块的输入端连接，雪崩光电二极管模块的输出端与甄别第一输入端连接，信号第二输出端与甄别第二输入端连接，所述甄别输出端作为整个电路的输出端。

作为优化的技术方案，所述窄脉冲信号产生模块包括第二延时芯片、第三延时芯片、第一与非门芯片、第二与非门芯片；延时电路的输出端连接所述第二延时芯片和所述第三延时芯片；第二延时芯片的输出端与第一与非门芯片的一个输入端连接，第一与非门芯片的输出端输出门信号c；第三延时芯片的输出端与第二与非门芯片的一个输入端连接，第二与非门芯片的输出端输出符合门信号d。

作为优化的技术方案，该集成单光子检测电路还包括第一驱动部件、第二驱动部件，所述第一驱动部件包括驱动第一输入端、驱动第一输出端和驱动第二输出端，所述第二驱动部件包括驱动第二输入端、驱动第三输出端和驱动第四输出端；所述驱动第一输入端和驱动第二输入端分别与延时电路的输出端连接；所述驱动第一输出端与第二延时芯片的输入端连接，所述驱动第二输出端与第一与非门芯片的另一输入端直接连接；所述驱动第三输出端与第三延时芯片的输入端连接，所述驱动第四输出端与第二与非门芯片的另一输入端直接连接。

作为优化的技术方案，所述雪崩光电二极管模块包括二极管D1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、第一电平端、第二电平端，所述电阻R1一端为雪崩光电二极管模块的输入端，与窄脉冲信号产生模块的输出端连接，所述电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，第一电平端经过电阻R2与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的集电极还与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极通过电阻R3与第二电平端连接，二极管D1的正极与电容C1的一端连接，电容C1的另一端作为雪崩光电二极管模块的输出端。

作为优化的技术方案，该集成单光子检测电路还包括温度传感器，温度传感器的检测端设置在二极管D1侧边。

作为优化的技术方案，该集成单光子检测电路还与光纤连接，所述光纤输入的光子照射在二极管D1上。

作为优化的技术方案，所述雪崩信号甄别模块包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、第一电源VCC、甄别阈值输入端Vth、电流源，所述三极管Q2的基极与窄脉冲信号产生模块中第二与非门芯片的输出端连接，第一电源VCC经过电阻R4与三极管Q2的集电极连接，雪崩光电二极管模块的输出端经过电阻R5与三极管Q3的基极连接，甄别阈值输入端Vth经过电阻R6也与三极管Q3的基极连接，第一电源VCC经过电阻R7与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的集电极与电容C2的一端连接，电容C2的另一端作为雪崩计数输出端，甄别阈值输入端Vth经过电阻R8与三极管Q4的基极连接，第一电源VCC直接与三极管Q4的集电极连接，三极管Q2的发射极、三极管Q3的发射极、三极管Q4的发射极三端连接后经过电流源后与地连接。

本发明的优点在于：

(1)本发明中的延时电路主要作用是对信号进行延时。核心部件是第一延时芯片。通过对第一延时芯片的复用来减少延时芯片的使用个数，降低整体功耗，增加动态延时范围。

(2)本发明提出了一种集成化单光子检测模块化方案，集成化后，去除原有独立元件方案各个模块的寄生参数，提高信号质量。信号整个流程经过的的线路，在物理尺寸上大大缩短，单位面积内的干扰相同的情况下也降低了外界对整个装置的干扰，进而提高整机性能。集成后也促进了探测器设备超小型化。

(3)本发明由于门信号c要经过雪崩光电二极管模块再到雪崩信号甄别模块内，而符合门信号d直接到雪崩信号甄别模块内，当未集成时，光缆有一定的长度，雪崩光电二极管模块内就需要阻抗匹配，窄脉冲信号产生模块中与非门的两输入端前均需要连接延时芯片，但是集成后由于距离短，集成化门信号c和符合门信号d的相对位置是固定可以计算的，所以可以去掉与非门两输入端中一个输入端前的延时芯片，从而降低了零部件的数量，降低了功耗，增加动态延时范围。集成后雪崩光电二极管模块内的二极管D1和三极管之间直接耦合控制，所以不需要阻抗匹配，降低了功耗。由于模块间的距离减小，延时芯片节省，这样整个装置工作的效率和速率都会提高。

(4)通过集成后，信号接口数量减少，使得该装置与外部设备连接简单方便。

附图说明

图1是本发明一种集成化单光子检测装置的内部布局图。

图2是本发明一种集成单光子检测电路的内部模块连接图。

图3是本发明用于雪崩光电二极管的延时电路的电路图。

图4是本发明用于雪崩光电二极管的延时电路时序图。

图5是本发明中窄脉冲信号产生模块的电路图。

图6是本发明中窄脉冲信号产生模块的时序图。

图7是本发明中雪崩光电二极管模块的电路图。

图8是本发明中雪崩信号甄别模块的电路图。

具体实施方式

实施例1

该实施例是集成化单光子检测装置的内部布局的描述。

如图1所示，一种集成化单光子检测装置，包括制冷模块1、温度传感器模块2、雪崩光电二极管模块3、窄脉冲信号产生模块4、雪崩信号甄别模块5、IO模块6、热沉7、延时电路9、密封隔热封装模块8，热沉7设置在制冷模块1的上方，雪崩光电二极管模块3设置在制冷模块1的下方并紧贴制冷模块1，温度传感器模块2设置在雪崩光电二极管模块3的侧边，延时电路9、窄脉冲信号产生模块4、雪崩信号甄别模块5左右依次设置并位于雪崩光电二极管模块3的下方，IO模块6设置在延时电路9和雪崩信号甄别模块5的左右两侧。制冷模块1、温度传感器模块2、雪崩光电二极管模块3、窄脉冲信号产生模块4、雪崩信号甄别模块5、热沉7、延时电路9均设置在密封隔热封装模块8内。密封隔热封装模块8能增加整个接收装置的抗干扰能力，进而提高整机性能。由于装置内各模块布局后集成密封在密封隔离封装模块内，这样使得整个装置体积减小，能够促进探测器设备超小型化。

详细地说，制冷模块1为TEC制冷器。

IO模块6包括输入端和输出端，所述输入端包括电源端、光子同步信号a输入端、甄别阈值输入端、光信号输入端、经过延时芯片次数控制端、延时间隔控制端。输出端包括温度传感器信号输出端、雪崩计数输出端。

温度传感器模块2包括温度传感器和数模转换电路，雪崩光电二极管模块3包括二极管驱动电路和二极管D1，温度传感器的检测端设置在二极管D1侧边，温度传感器的信号输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端作为温度传感器信号输出端并从IO模块6输出。温度传感器信号输出端输出8位或16位数字信号。

其中的制冷模块1、雪崩光电二极管模块3等部件都选择小型化部件，并且连接方式和设置的结构不仅使得量子通信领域单光子探测光电模块小型化；还使量子通信领域单光子探测设备小型化。模块化的设置增强了装置的工作稳定性，增加抗干扰能力，进而提高整机性能。通过封装减少了整个系统中的零部件数量，并且统一了整个集成化单光子检测装置和制作工艺。

实施例2

该实施例是对集成单光子检测电路内部模块连接的描述。

如图2所示，延时电路9的输入端包括光子同步信号a输入端、经过延时芯片次数控制端、延时间隔控制端，延时电路9的输出端与窄脉冲信号产生模块4的输入端连接，所述窄脉冲信号产生模块4包括信号第一输出端、信号第二输出端，雪崩信号甄别模块5包括甄别第一输入端、甄别第二输入端、甄别输出端，所述窄脉冲信号产生模块4的信号第一输出端与雪崩光电二极管模块3的一个输入端连接，雪崩光电二极管模块3的另一个输入端为光信号输入端，雪崩光电二极管模块3的输出端与甄别第一输入端连接，窄脉冲信号产生模块4的信号第二输出端与雪崩信号甄别模块5的甄别第二输入端连接，雪崩信号甄别模块5还具有甄别阈值输入端，所述雪崩信号甄别模块5的甄别输出端为雪崩计数输出端。

采用上述连接方式的电路模块的工作过程如下：

外部输入的光子同步信号a先经过延时电路9产生延时输出信号b，延时输出信号b输入到窄脉冲信号产生模块4，窄脉冲信号产生模块4产生特定宽度的门信号c和特定宽度的符合门信号d。门信号c输入到雪崩光电二极管模块3中，产生雪崩信号e并输入到雪崩信号甄别模块5的甄别第一输入端。符合门信号d输入到雪崩信号甄别模块5的甄别第二输入端，雪崩信号甄别模块5根据外部设置的甄别阈值输出雪崩计数脉冲信号f到外部。

实施例3

该实施例是对用于雪崩光电二极管的延时电路9的描述。

如图3-4所示，延时电路9包括或门芯片91、第一延时芯片95、选择芯片94、控选电路，或门芯片91、第一延时芯片95、选择芯片94依次电连接，或门芯片91的一个输入端作为整个延时电路9的输入端并输入光子同步信号a，所述选择芯片94的输出端包括两个，其中一个作为延时电路9的输出端输出延时输出信号b，另一个与或门芯片91的另一输入端连接形成延时回路，选择芯片94包括选择控制端，控选电路的输出端与所述选择控制端连接。

所述第一延时芯片95还包括延时间隔控制端，所述控选电路包括计数器92、比较器93，所述计数器92包括复位端、时钟信号端、输出端，复位端与输入光子同步信号a的或门的输入端连接，时钟信号端与第一延时芯片95的输出端连接，输出端与比较器93的一个输入端连接，比较器93的另一个输入端作为经过延时芯片次数控制端，连接经过延时芯片次数控制装置，比较器93的输出端与所述的选择控制端连接。

延时电路9主要作用是对信号进行延时。核心部件是第一延时芯片95。通过对延时芯片的复用来减少延时芯片的使用个数，降低整体功耗，增加动态延时范围。

光子同步信号a输入端输入的信号是需要被延时的信号，延时的时间可以通过经过延时芯片次数控制装置和延时间隔控制端来设置，选择芯片94根据判断条件来切换延时后的光子同步信号a是直接作为延时输出信号b还是再次输入到第一延时芯片95内。

经过延时芯片次数控制装置设置信号经过延时芯片的次数，作为比较器93的输入参数。当延时间隔控制端输入的数值等于经过延时芯片次数控制装置输入的数值时，选择芯片94选择将延时输出信号从延时电路9中输出。图4中，当计数值(延时间隔控制端输入的数值)与延时设置的数值(经过延时芯片次数控制装置输入的数值)相等时，即都为H4时，选择芯片94选择将延时输出信号b输出。

实施例4

该实施例是对窄脉冲信号产生模块4的描述。

如图5-6所示，所述窄脉冲信号产生模块4包括第一驱动部件41、第二驱动部件42、第二延时芯片43、第三延时芯片44、第一与非门芯片45、第二与非门芯片46。

所述第一驱动部件41包括驱动第一输入端、驱动第一输出端和驱动第二输出端，所述第二驱动部件42包括驱动第二输入端、驱动第三输出端和驱动第四输出端。

所述驱动第一输入端和驱动第二输入端分别与延时电路9的输出端连接即输入延时输出信号b。

所述驱动第一输出端与第二延时芯片43的输入端连接，第二延时芯片43的输出端与第一与非门芯片45的一个输入端连接，所述驱动第二输出端与第一与非门芯片45的另一输入端直接连接，第一与非门芯片45的输出端输出门信号c。所述驱动第三输出端与第三延时芯片44的输入端连接，第三延时芯片44的输出端与第二与非门芯片46的一个输入端连接，所述驱动第四输出端与第二与非门芯片46的另一输入端直接连接，第二与非门芯片46的输出端输出符合门信号d。

在上述技术方案中，第一驱动部件41和第二驱动部件42的作用是防止供电不足，波形发生变形。由于集成化对于模块内部电子电路功耗有一定的要求，因此第二延时芯片43和第三延时芯片44集成在一个双通道延时芯片内，相应的，第一驱动部件41和第二驱动部件42使用一个双通道驱动装置或多通道驱动装置代替。

在图6中，第一与非门芯片45两个输入端和第二与非门芯片46的两个输入端的时序图如图中的时序A、时序B、时序E、时序D。

实施例5

该实施例是对雪崩光电二极管模块3的描述。

如图7所示，所述雪崩光电二极管模块3包括二极管D1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、第一电平端、第二电平端，所述电阻R1一端为雪崩光电二极管模块3的输入端，与窄脉冲信号产生模块4中第一与非门芯片45的输出端连接，接收窄脉冲信号产生模块4产生的特定宽度的门信号c，所述电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，第一电平端经过电阻R2与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的集电极还与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极通过电阻R3与第二电平端连接，二极管D1的正极与电容C1的一端连接，电容C1的另一端作为雪崩光电二极管模块3的输出端。第一电平端电压值为5V，压差范围为正负2V，第二电平端电压值为-60V，压差范围为正负10V。密封隔热封装模块8壳体上设置有光纤，所述光纤输入的光子作为光信号照射在二极管D1上。由于该装置集成度高，三极管Q1和二极管D1之间直接耦合控制，可以不考虑阻抗匹配，由于阻抗匹配需要使用较大电阻，所以集成后降低了损耗。

实施例6

该实施例是对雪崩信号甄别模块5的描述。

如图8所示，所述雪崩信号甄别模块5包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、第一电源VCC、甄别阈值输入端Vth、电流源，所述三极管Q2的基极与窄脉冲信号产生模块4中第二与非门芯片46的输出端连接，接收第二与非门芯片46输出的特定宽度的符合门信号d。第一电源VCC经过电阻R4与三极管Q2的集电极连接。雪崩光电二极管模块3的输出端经过电阻R5与三极管Q3的基极连接。甄别阈值输入端Vth经过电阻R6也与三极管Q3的基极连接，第一电源VCC经过电阻R7与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的集电极与电容C2的一端连接，电容C2的另一端作为雪崩计数输出端。甄别阈值输入端Vth经过电阻R8与三极管Q4的基极连接，第一电源VCC直接与三极管Q4的集电极连接。三极管Q2的发射极、三极管Q3的发射极、三极管Q4的发射极三端连接后经过电流源后与地连接。该方案中的电阻R8的阻值小于电阻R6的阻值。雪崩信号甄别模块5的功能是在符合门信号d时间内，雪崩信号电平高于甄别阈值时，输出雪崩计数脉冲信号f。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于雪崩光电二极管的延时电路，其特征在于，包括或门芯片、第一延时芯片、选择芯片、控选电路，所述或门芯片、第一延时芯片、选择芯片依次电连接，所述或门芯片的一个输入端作为整个延时电路的输入端并输入光子同步信号a，所述选择芯片的输出端包括两个，其中一个作为延时电路的输出端，另一个与所述或门芯片的另一输入端连接，所述选择芯片包括选择控制端，所述控选电路的输出端与所述选择控制端连接。

2.根据权利要求1所述的用于雪崩光电二极管的延时电路，其特征在于，所述第一延时芯片还包括延时间隔控制端。

3.根据权利要求1或2所述的用于雪崩光电二极管的延时电路，其特征在于，所述控选电路包括计数器、比较器，所述计数器包括复位端、时钟信号端、输出端，所述复位端与输入光子同步信号a的或门的输入端连接，所述时钟信号端与所述第一延时芯片的输出端连接，所述计数器的输出端与所述比较器的一个输入端连接，所述比较器的另一个输入端作为经过延时芯片次数控制端，连接经过延时芯片次数控制装置，所述比较器的输出端与所述的选择控制端连接。

4.一种包括如权利要求1-3任意一项所述的用于雪崩光电二极管的延时电路的集成单光子检测电路，其特征在于，包括延时电路、雪崩光电二极管模块、窄脉冲信号产生模块、雪崩信号甄别模块，所述延时电路的输出端与所述窄脉冲信号产生模块的输入端连接，所述窄脉冲信号产生模块包括信号第一输出端、信号第二输出端，所述雪崩信号甄别模块包括甄别第一输入端、甄别第二输入端、甄别输出端，所述信号第一输出端与所述雪崩光电二极管模块的输入端连接，所述雪崩光电二极管模块的输出端与所述甄别第一输入端连接，所述信号第二输出端与所述甄别第二输入端连接，所述甄别输出端作为整个电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的集成单光子检测电路，其特征在于，所述窄脉冲信号产生模块包括第二延时芯片、第三延时芯片、第一与非门芯片、第二与非门芯片；延时电路的输出端连接所述第二延时芯片和所述第三延时芯片；所述第二延时芯片的输出端与所述第一与非门芯片的一个输入端连接，所述第一与非门芯片的输出端输出门信号c；所述第三延时芯片的输出端与所述第二与非门芯片的一个输入端连接，所述第二与非门芯片的输出端输出符合门信号d。

6.根据权利要求5所述的集成单光子检测电路，其特征在于，还包括第一驱动部件、第二驱动部件，所述第一驱动部件包括驱动第一输入端、驱动第一输出端和驱动第二输出端，所述第二驱动部件包括驱动第二输入端、驱动第三输出端和驱动第四输出端；所述驱动第一输入端和驱动第二输入端分别与延时电路的输出端连接；所述驱动第一输出端与所述第二延时芯片的输入端连接，所述驱动第二输出端与所述第一与非门芯片的另一输入端直接连接；所述驱动第三输出端与所述第三延时芯片的输入端连接，所述驱动第四输出端与所述第二与非门芯片的另一输入端直接连接。

7.根据权利要求4所述的集成单光子检测电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管模块包括二极管D1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、第一电平端、第二电平端，所述电阻R1一端为所述雪崩光电二极管模块的输入端，与窄脉冲信号产生模块的输出端连接，所述电阻R1的另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述第一电平端经过所述电阻R2与所述三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的集电极还与所述二极管D1的负极连接，所述二极管D1的正极通过所述电阻R3与所述第二电平端连接，所述二极管D1的正极与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端作为所述雪崩光电二极管模块的输出端。

8.根据权利要求7所述的集成单光子检测电路，其特征在于，还包括温度传感器，温度传感器的检测端设置在所述二极管D1侧边。

9.根据权利要求7所述的集成单光子检测电路，其特征在于，还与光纤连接，所述光纤输入的光子照射在所述二极管D1上。

10.根据权利要求5或6所述的集成单光子检测电路，其特征在于，所述雪崩信号甄别模块包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、第一电源VCC、甄别阈值输入端Vth、电流源，所述三极管Q2的基极与所述窄脉冲信号产生模块中第二与非门芯片的输出端连接，所述第一电源VCC经过所述电阻R4与所述三极管Q2的集电极连接，所述雪崩光电二极管模块的输出端经过所述电阻R5与所述三极管Q3的基极连接，所述甄别阈值输入端Vth经过所述电阻R6也与所述三极管Q3的基极连接，所述第一电源VCC经过所述电阻R7与所述三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的集电极与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端作为雪崩计数输出端，所述甄别阈值输入端Vth经过所述电阻R8与所述三极管Q4的基极连接，所述第一电源VCC直接与所述三极管Q4的集电极连接，所述三极管Q2的发射极、所述三极管Q3的发射极、所述三极管Q4的发射极三端连接后经过所述电流源后与地连接。