CN113220049A - 用于单光子探测器的分段温度控制装置和量子通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于单光子探测器的分段温度控制装置和量子通信设备，所述分段温度控制装置包括第一热敏电阻分压电路、第二热敏电阻分压电路、第一目标电压设置电路、第二目标电压设置电路、仪表放大电和控制器，控制器可响应于单光子探测器内部的温度介于常温与第一目标温度之间，经由第一热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压并且经由第一目标电压设置电路设置目标温度电压，并且响应于单光子探测器内部的温度介于第一目标温度与第二目标温度之间，经由第二热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压并且经由第二目标电压设置电路设置目标温度电压。本发明所提供的分段温度控制装置能够防止热电冷却器控制器因热敏电阻电压的增大而停止对热电冷却器的驱动。

Description

用于单光子探测器的分段温度控制装置和量子通信设备
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及用于单光子探测器的分段温度控制装置和量子通信设备。
背景技术
在相关技术中，通常采用热电冷却器控制器（诸如，LTC1923芯片）来对量子通信设备中的单光子探测器内部进行温度控制，以实现对单光子探测器内部的高精度温度控制。然而，热电冷却器控制器对热敏电阻的电压监控范围有限，当设置于单光子探测器内部的热敏电阻的电压随着制冷温度的降低而超出了该电压监控范围时，热电冷却器控制器会停止对热电冷却器（Thermo Electric Cooler，简称TEC）的驱动。这样不仅难以达到量子通信设备所期望的高精度温度控制，而且还会影响制冷操作的稳定性，进而降低量子通信设备的成码率。
发明内容
本发明的目的在于提供用于单光子探测器的分段温度控制装置。
根据本发明的一方面，提供一种用于单光子探测器的分段温度控制装置，所述分段温度控制装置包括：第一热敏电阻分压电路，由第一电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；第二热敏电阻分压电路，由第二电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；第一目标电压设置电路，由第一电位器和第三电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第一参考电压，第一参考电压为基于第一热敏电阻分压电路而确定的热敏电阻在第一目标温度下的热敏电阻电压；第二目标电压设置电路，由第二电位器和第四电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第二参考电压，第二参考电压为基于第二热敏电阻分压电路而确定的热敏电阻在第二目标温度下的热敏电阻电压；仪表放大电路，根据热敏电阻电压与目标温度电压之间的电压差产生温度调节信号，以经由热电冷却器控制器驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷；以及控制器，被配置为响应于单光子探测器内部的温度介于常温与第一目标温度之间，经由第一热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压，并且经由第一目标电压设置电路设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第一目标温度为止，并且响应于单光子探测器内部的温度介于第一目标温度与第二目标温度之间，经由第二热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压，并且经由第二目标电压设置电路设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第二目标温度为止，其中，热敏电阻设置在单光子探测器内部，第二电阻器的电阻值大于第一电阻器的电阻值，第二目标温度低于第一目标温度。
根据本发明的一个实施例，所述分段温度控制装置还包括：第一开关，设置在第一电阻器与热敏电阻和仪表放大电路之间，以切换第一电阻器与热敏电阻之间的电连接以及第一电阻器与仪表放大电路的一个输入端之间的电连接；第二开关，设置在第二电阻器与热敏电阻和仪表放大电路之间，以切换第二电阻器与热敏电阻之间的电连接以及第二电阻器与仪表放大电路的一个输入端之间的电连接；第三开关，设置在第一电位器与仪表放大电路之间，以切换第一电位器与仪表放大电路的另一输入端之间的电连接；以及第四开关，设置在第二电位器与仪表放大电路之间，以切换第二电位器与仪表放大电路的另一输入端之间的电连接。
根据本发明的一个实施例，热电冷却器控制器经由驱动电路向热电冷却器提供相应的驱动电流。
根据本发明的一个实施例，驱动电路为全桥电路或半桥电路。
根据本发明的一个实施例，热电冷却器控制器为LTC1923芯片。
根据本发明的一个实施例，LTC1923芯片的VTHRM引脚接入热敏电阻电压，以在热敏电阻电压超出预定监测范围时，停止对热电冷却器的驱动。
根据本发明的一个实施例，预定监测范围为500 mV至2.1 V。
根据本发明的一个实施例，第一目标温度和第二目标温度分别为0℃和－40℃。
根据本发明的一方面，提供一种量子通信设备，所述量子通信设备包括如前所述的分段温度控制装置。
本发明所提供的用于单光子探测器的分段温度控制装置有助于拓展热电冷却器控制器针对热敏电阻的温度监控范围，以防止因对热敏电阻使用单一分压方式而导致热电冷却器控制器因热敏电阻电压的增大而停止对热电冷却器的驱动的问题，另外，还能够确保经由热电冷却器控制器驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷的稳定性，进而提升量子通信设备的成码率。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置的结构框图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置的示意性电路图。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置所使用的LTC1923芯片的示意图。
图4示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置对单光子探测器内部进行制冷的系统的示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置的结构框图。
参照图1，根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置至少可包括第一热敏电阻分压电路110、第二热敏电阻分压电路120、第一目标电压设置电路130和第二目标电压设置电路140、仪表放大电路150和控制器160。
在图1所示的分段温度控制装置中，第一热敏电阻分压电路110可由第一电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；第二热敏电阻分压电路120可由第二电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；第一目标电压设置电路130可由第一电位器和第三电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第一参考电压，第一参考电压为基于第一热敏电阻分压电路110而确定的热敏电阻在第一目标温度下的热敏电阻电压；第二目标电压设置电路140可由第二电位器和第四电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第二参考电压，第二参考电压为基于第二热敏电阻分压电路120而确定的热敏电阻在第二目标温度下的热敏电阻电压；仪表放大电路150可根据热敏电阻电压与目标温度电压之间的电压差产生温度调节信号OUT，以经由热电冷却器控制器（诸如，但不限于，LTC1923芯片）驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷；控制器160可被配置为响应于单光子探测器内部的温度（诸如，但不限于，25℃）介于常温与第一目标温度（诸如，但不限于，0℃）之间，经由第一热敏电阻分压电路110产生热敏电阻电压，并且经由第一目标电压设置电路130设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第一目标温度为止，并且响应于单光子探测器内部的温度介于第一目标温度（诸如，但不限于，0℃）与第二目标温度（诸如，但不限于，－40℃）之间，经由第二热敏电阻分压电路120产生热敏电阻电压，并且经由第二目标电压设置电路140设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第二目标温度为止。
在图1所示的分段温度控制装置中，热敏电阻可设置在单光子探测器内部（诸如，但不限于，设置在单光子探测器内部的雪崩二极管附近），第二电阻器的电阻值可大于第一电阻器的电阻值，第二目标温度可低于第一目标温度。这样能够使得热敏电阻电压被限制在热电冷却器控制器（诸如，但不限于，LTC1923芯片）所能监控的电压范围。
这种分段温度控制装置有助于拓展热电冷却器控制器针对热敏电阻的温度监控范围，以防止因对热敏电阻使用单一分压方式而导致热电冷却器控制器因热敏电阻电压的增大而停止对热电冷却器的驱动的问题。另外，这种分段温度控制装置还能够确保经由热电冷却器控制器驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷的稳定性，进而提升量子通信设备的成码率。
下面，将参照图2来详细地描述上述分段温度控制装置的实施。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置的示意性电路图。
参照图2，根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置可进一步包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和单光子第四开关S4。
在图2所示的分段温度控制装置中，第一热敏电阻分压电路110可由第一电阻器R1和热敏电阻THERMISTOR串联连接而成，第一开关S1可设置在第一电阻器R1与热敏电阻THERMISTOR和仪表放大电路150之间，以切换第一电阻器R1与热敏电阻THERMISTOR之间的电连接以及第一电阻器R1与仪表放大电路150的一个输入端之间的电连接。
在图2所示的分段温度控制装置中，第二热敏电阻分压电路120可由第二电阻器R2和热敏电阻THERMISTOR串联连接而成，第二开关S2可设置在第二电阻器R2与热敏电阻THERMISTOR和仪表放大电路150之间，以切换第二电阻器R2与热敏电阻之间的电连接以及第二电阻器R2与仪表放大电路150的一个输入端之间的电连接。
在图2所示的分段温度控制装置中，第一目标电压设置电路130可由第一电位器P1和第三电阻器R3串联连接而成，第三开关S3可设置在第一电位器P1与仪表放大电路150之间，以切换第一电位器P1与仪表放大电路150的另一输入端之间的电连接。
在图2所示的分段温度控制装置中，经由第一目标电压设置电路130而产生的第一参考电压V1可使用，但不限于，下式（1）而被确定：
Figure 758489DEST_PATH_IMAGE001
（1）
在式（1）中，VSET为预定电压；RTHRM为热敏电阻THERMISTOR在第一目标温度下的电阻值；R1为第一热敏电阻分压电路110中的第一电阻器R1的电阻值。
在图2所示的分段温度控制装置中，第二目标电压设置电路140可由第二电位器P2和第四电阻器R4串联连接而成，第四开关S4可设置在第二电位器P2与仪表放大电路150之间，以切换第二电位器P2与仪表放大电路150的另一输入端之间的电连接。
在图2所示的分段温度控制装置中，经由第二目标电压设置电路140而产生的第二参考电压V2可使用，但不限于，下式（2）而被确定：
Figure 622540DEST_PATH_IMAGE002
（2）
在式（2）中，VSET为预定电压；RTHRM为热敏电阻THERMISTOR在第二目标温度下的电阻值；R2为第二热敏电阻分压电路120中的第二电阻器R2的电阻值。
应当理解，尽管图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置的示意性电路图，但是本发明不并限于此，还可采用其他形式的电路结构来实现上述分段温度控制装置。
下面，将以使用LTC1923芯片驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷为例来进一步详细地描述上述分段温度控制装置的实施。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置所使用的LTC1923芯片的示意图。
参照图3，LTC1923芯片的VTHRM引脚可接入热敏电阻电压VTHRM，以在热敏电阻电压VTHRM超出预定监测范围时，停止对热电冷却器的驱动。例如，LTC1923芯片的预定监测范围可为500毫伏至2.1伏。
在该示例中，为确保用于量子通信设备的单光子探测器内部的温度从常温（诸如，但不限于，25℃）下降至－40℃，可将第一目标温度设置为0℃，并且将第二目标温度设置为－40℃。这样可避免因对热敏电阻THERMISTOR使用单一分压方式而导致LTC1923芯片因热敏电阻电压VTHRM的增大而停止对热电冷却器的驱动。
再次返回到图2，假设热敏电阻THERMISTOR在0℃下的电阻值为27千欧，热敏电阻THERMISTOR在－40℃下的电阻值为188千欧，则在预定电压VSET为2.5伏且第一电阻器R1的电阻值R1和第二电阻器R2的电阻值R2分别为10千欧和35千欧的情况下，可使用上式（1）基于第一热敏电阻分压电路110确定出热敏电阻THERMISTOR在0℃下的热敏电阻电压VTHRM约为1.8伏，并且可使用上式（2）基于第二热敏电阻分压电路120确定出热敏电阻THERMISTOR在－40℃下的热敏电阻电压VTHRM约为2.1伏。
作为结果，在图2所示的分段温度控制装置中，在单光子探测器内部的温度介于常温（诸如，但不限于，25℃）与0℃之间的情况下，可通过闭合第一开关S1和第三开关S3同时断开第二开关S2和第四开关S4来经由由第一电阻器R1和热敏电阻THERMISTOR串联而成的第一热敏电阻分压电路110产生热敏电阻电压，并且经由由第一电位器P1和第三电阻器R3串联而成的第一目标电压设置电路130将目标温度电压设置为1.8伏，直到单光子探测器内部的温度达到0℃为止。另外，在单光子探测器内部的温度介于0℃与－40℃之间的情况下，可通过闭合第二开关S2和第四开关S4同时断开第一开关S1和第三开关S3来经由由第二电阻器R2和热敏电阻THERMISTOR串联而成的第二热敏电阻分压电路120产生热敏电阻电压，并且经由由第二电位器P2和第四电阻器R4串联而成的第二目标电压设置电路140将目标温度电压设置为2.1伏，直到单光子探测器内部的温度下降到－40℃为止。
图4示出了应用根据本发明的示例性实施例的用于单光子探测器的分段温度控制装置对单光子探测器内部进行制冷的系统的示意图。
参照图4，所述系统至少可包括如前所述的用于单光子探测器的分段温度控制装置410、热电冷却器控制器（诸如，但不限于，LTC1923芯片）、驱动电路430以及设置在单光子探测器SPD内部的热电冷却器440。
在图4所示的系统中，分段温度控制装置410可经由热电冷却器控制器420驱动热电冷却器440对单光子探测器内部进行制冷。热电冷却器控制器420可经由驱动电路430向热电冷却器440提供相应的驱动电流。在一些示例中，驱动电路430可为全桥电路或半桥电路。
在图4所示的系统中，温度采集器ADC可通过热敏电阻THERMISTOR获取单光子探测器SPD内部的温度。分段温度控制装置410可响应于单光子探测器SPD内部的温度介于常温与第一目标温度之间，经由如前所述的第一热敏电阻分压电路110产生热敏电阻电压VTHRM并且经由如前所述的第一目标电压设置电路130设置目标温度电压VREF，直到单光子探测器SPD内部的温度达到第一目标温度为止。另外，分段温度控制装置410还可响应于单光子探测器SPD内部的温度介于第一目标温度与第二目标温度之间，经由第二热敏电阻分压电路120产生热敏电阻电压VTHRM并且经由第二目标电压设置电路140设置目标温度电压VREF，直到单光子探测器SPD内部的温度达到第二目标温度为止。
本发明提供的分段温度控制装置有助于拓展热电冷却器控制器针对热敏电阻的温度监控范围，以防止因对热敏电阻使用单一分压方式而导致热电冷却器控制器因热敏电阻电压的增大而停止对热电冷却器的驱动的问题，另外，本发明提供的分段温度控制装置还能够确保经由热电冷却器控制器驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷的稳定性，进而提升量子通信设备的成码率。
因此，本发明提供的分段温度控制装置不仅能够经由热电冷却器控制器（特别是，诸如LTC1923芯片之类的高效热电冷却器控制器）实现对单光子探测器内部的高精度温度控制，而且还拓展了热电冷却器控制器对单光子探测器内部的温度控制范围。因此，本发明提供的分段温度控制装置能够为用于量子通信设备（诸如，量子密钥分发（Quantum KeyDistribution，简称QKD）系统中的接收端）的单光子探测器内部的元器件（特别是，雪崩二极管）提供高精度的制冷控制操作，使得单光子探测器内部保持稳定的低温工作环境（诸如，但不限于，－40℃），从而在一定程度上提升了量子通信设备的成码率。相应地，本发明还可提供一种包括如前所述的分段温度控制装置的量子通信设备。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (9)

1.一种用于单光子探测器的分段温度控制装置，其特征在于，包括：
第一热敏电阻分压电路，由第一电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；
第二热敏电阻分压电路，由第二电阻器和热敏电阻串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生随温度而变化的热敏电阻电压；
第一目标电压设置电路，由第一电位器和第三电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第一参考电压，第一参考电压为基于第一热敏电阻分压电路而确定的热敏电阻在第一目标温度下的热敏电阻电压；
第二目标电压设置电路，由第二电位器和第四电阻器串联连接而成，以通过对预定电压进行电阻分压来产生第二参考电压，第二参考电压为基于第二热敏电阻分压电路而确定的热敏电阻在第二目标温度下的热敏电阻电压；
仪表放大电路，根据热敏电阻电压与目标温度电压之间的电压差产生温度调节信号，以经由热电冷却器控制器驱动热电冷却器对单光子探测器内部进行制冷；以及
控制器，被配置为
响应于单光子探测器内部的温度介于常温与第一目标温度之间，经由第一热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压，并且经由第一目标电压设置电路设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第一目标温度为止，并且
响应于单光子探测器内部的温度介于第一目标温度与第二目标温度之间，经由第二热敏电阻分压电路产生热敏电阻电压，并且经由第二目标电压设置电路设置目标温度电压，直到单光子探测器内部的温度达到第二目标温度为止，
其中，热敏电阻设置在单光子探测器内部，第二电阻器的电阻值大于第一电阻器的电阻值，第二目标温度低于第一目标温度。
2.根据权利要求1所述的分段温度控制装置，其特征在于，还包括：
第一开关，设置在第一电阻器与热敏电阻和仪表放大电路之间，以切换第一电阻器与热敏电阻之间的电连接以及第一电阻器与仪表放大电路的一个输入端之间的电连接；
第二开关，设置在第二电阻器与热敏电阻和仪表放大电路之间，以切换第二电阻器与热敏电阻之间的电连接以及第二电阻器与仪表放大电路的一个输入端之间的电连接；
第三开关，设置在第一电位器与仪表放大电路之间，以切换第一电位器与仪表放大电路的另一输入端之间的电连接；以及
第四开关，设置在第二电位器与仪表放大电路之间，以切换第二电位器与仪表放大电路的另一输入端之间的电连接。
3.根据权利要求1所述的分段温度控制装置，其特征在于，热电冷却器控制器经由驱动电路向热电冷却器提供相应的驱动电流。
4.根据权利要求3所述的分段温度控制装置，其特征在于，驱动电路为全桥电路或半桥电路。
5.根据权利要求4所述的分段温度控制装置，其特征在于，热电冷却器控制器为LTC1923芯片。
6.根据权利要求5所述的分段温度控制装置，其特征在于，LTC1923芯片的VTHRM引脚接入热敏电阻电压，以在热敏电阻电压超出预定监测范围时，停止对热电冷却器的驱动。
7.根据权利要求6所述的分段温度控制装置，其特征在于，预定监测范围为500毫伏至2.1伏。
8.根据权利要求1所述的分段温度控制装置，其特征在于，第一目标温度和第二目标温度分别为0℃和－40℃。
9.一种量子通信设备，其特征在于，包括：
权利要求1-8中的任意一项所述的分段温度控制装置。
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