CN114061752B - 通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器及方法 - Google Patents

通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器及方法 Download PDF

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通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器及方法，属于光电探测技术领域，解决现有的自由运行模式单光子探测器功耗高、集成度低、体积大、电磁干扰大的问题；本发明的技术方案采用FPGA控制模块产生淬灭控制信号，淬灭控制信号为上升沿信号，进入D触发器的同相时钟输入端，D触发器的高电平数据在时钟正转变时传输到输出端，并经过低功耗的宽带运算放大器电路实现对NFAD模块的阳极加偏压，使NFAD模块两端的电压降低，实现NFAD的主动淬灭控制，从而退出盖革模式，以降低后脉冲概率，可用于白天条件下多波束激光雷达、光子数可分辨探测等；本发明的多通道自由运行模式单光子探测器具有功耗低、集成度高、体积小、电磁干扰小等优点。

Description

通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器及方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及一种通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器及方法，可应用于极微弱光检测、量子信息等领域。
背景技术
单光子探测器能够实现光子能量水平的信号探测，目前通信波段单光子探测器主要包括：InGaAs/InP盖革模式单光子探测器、超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器。InGaAs/InP盖革模式单光子探测器的核心为雪崩光电二极管，在盖革模式下具有单光子响应能力，具有量子效率高、工作频谱范围大、体积小等优点，能够应用在量子通信、荧光寿命检测、飞行器探测等领域。
盖革模式下单光子雪崩二极管的偏压高于击穿电压，当产生雪崩效应后，需要淬灭电路及时淬灭产生的雪崩电流，否则无法进行下一次探测。目前的淬灭电路主要分为被动式和主动式。通过将单光子雪崩二极管串联一个大电阻，单光子雪崩二极管在检测到光子后会产生雪崩电流，雪崩电流在大电阻上形成较大的压降，降低了在单光子雪崩二极管两端的电压，因此被动地使单光子雪崩二极管两端的电压小于击穿电压，这种方法被称为被动式淬灭，具有结构简单的优点，但是由于串联的电阻较大造成淬灭速度较慢、淬灭后恢复时间较长的缺点。而主动淬灭电路能够在雪崩发生后，迅速降低单光子雪崩二极管两侧的偏压，使雪崩淬灭，并且重置单光子雪崩二极管的偏压，使单光子雪崩二极管恢复到探测状态。现有技术中，公布号为CN106482840B、公开号为2019年03月08日的文献《一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法》采用高电子迁移率晶体管实现对阳极加偏压使二极管淬灭，但是偏压会通过二极管接到地进而产生较大的功耗，并引起电路温度升高，且存在集成度低、体积大、电磁干扰大等问题。
发明内容
本发明的目的在于如何设计一种通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，以解决现有的自由运行模式单光子探测器功耗高、集成度低、体积大、电磁干扰大的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，包括：1路直流偏置电源(U1)，N个探测通道；所述的直流偏置电源(U1)分别与N个探测通道的电源端连接，每个探测通道的结构相同；所述的探测通道包括：限流滤波电路、FPGA控制模块(U2)、NFAD模块(U3)、低噪声放大器(U5)、高速比较器(U6)、D触发器(U7)、电平转换芯片(U8)、运算放大器电路、电容C2；所述的限流滤波电路的输入端作为探测通道的电源端与直流偏置电源(U1)连接，限流滤波电路的输出端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与低噪声放大器(U5)的输入端连接，低噪声放大器(U5)的输出端与高速比较器(U6)的同相输入端VP连接，高速比较器(U6)的反相输入端VN接鉴别电平，高速比较器(U6)的正相、反相输出端Q和～Q分别与D触发器(U7)的差分时钟端～CLK和CLK连接，D触发器(U7)的正相数据输出端Q与电平转换芯片(U8)的同相输入端IN+连接，D触发器(U7)的反相数据输出端～Q与电平转换芯片(U8)的反相输入端IN-连接，电平转换芯片(U8)的输出端OUT与运算放大器电路的输入端连接，运算放大器电路的输出端与NFAD模块(U3)的阳极连接，NFAD模块(U3)的阴极连接在限流滤波电路与电容C2的连接公共点，通过阴极交流耦合方式与低噪声放大器(U5)的输入端连接，用于读出二极管的雪崩信号；FPGA控制模块(U2)产生的锁存信号分别送到高速比较器(U6)的两个锁存输入端LE+、LE-，FPGA控制模块(U2)产生的淬灭控制信号送到D触发器(U7)差分时钟端CLK，FPGA控制模块(U2)产生的恢复信号送到D触发器(U7)的复位输入端RST，D触发器(U7)的数据输入端D接高电平。
本发明的技术方案采用FPGA控制模块产生淬灭控制信号，淬灭控制信号为上升沿信号，进入D触发器的同相时钟输入端，D触发器的高电平数据在时钟正转变时传输到输出端，并经过低功耗的宽带运算放大器电路实现对NFAD模块的阳极加偏压，使NFAD模块两端的电压降低，实现NFAD的主动淬灭控制，从而退出盖革模式，以降低后脉冲概率，可用于白天条件下多波束激光雷达、光子数可分辨探测等；本发明的多通道自由运行模式单光子探测器具有功耗低、集成度高、体积小、电磁干扰小等优点。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的NFAD模块(U3)检测到光子后产生负雪崩信号，通过电容C2交流耦合至低噪声放大器(U5)进行放大，放大后的负雪崩信号进入高速比较器(U6)，负雪崩信号低于鉴别电平使得高速比较器(U6)的正相输出端Q产生负脉冲信号，同时高速比较器(U6)的反相输出端～Q产生正脉冲信号，因此D触发器(U7)的时钟输入端检测到上升沿信号后在输出端产生高电平输出，经过运算放大器电路产生放大电压送至NFAD模块(U3)的阳极，使NFAD模块(U3)两端的电压降低实现淬灭，退出盖革模式；同时FPGA控制模块(U2)产生锁存信号使高速比较器(U6)进入锁存模式，NFAD模块(U3)淬灭后，由FPGA控制模块(U2)产生锁存控制信号控制高速比较器(U6)恢复比较模式，并由FPGA控制模块(U2)产生恢复信号使D触发器(U7)重置并输出低电平，经过运算放大器电路后使得NFAD模块(U3)的阳极电压升高，恢复探测模式。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的限流滤波电路包括：电阻R1、电容C1、电感HF；所述的电阻R1的一端作为探测器的电源端与直流偏置电源(U1)连接，电阻R1作为限流电阻，电阻R1的另一端与电感HF的一端连接，电容C1的一端连接在电阻R1与电感HF的连接公共点，电容C1的另一端接地，电感HF与电容C1构成输入滤波电路，电感HF的另一端与电容C2的一端连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的运算放大器电路包括：运算放大器(U9)、电阻R2、电阻R3；所述的电平转换芯片(U8)的输出端OUT与运算放大器(U9)的同相输入端连接，运算放大器(U9)的反相输入端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的一端与运算放大器(U9)的反相输入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器(U9)输出端连接，运算放大器(U9)的输出端与NFAD模块(U3)的阳极连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的NFAD模块(U3)包括：所述的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器，所述的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器气密封装在一个壳体内，达到小型化设计的目的，NFAD模块(U3)的外部通过法兰散热，实现对NFAD模块(U3)的高效率制冷。
作为本发明技术方案的进一步改进，还包括温控电路(U4)，所述的温控电路(U4)的一端与NFAD模块(U3)的热敏电阻端口连接，温控电路(U4)的另一端与NFAD模块(U3)的热电制冷器控制端连接，温控电路(U4)测量NFAD模块(U3)中的热敏电阻的电压变化，对NFAD模块(U3)的温度进行监测，并根据NFAD模块(U3)的温度变化实现对热电制冷器的反馈控制。
一种应用于所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器的探测方法，所述的NFAD模块(U3)检测到光子后产生负雪崩信号，通过电容C2交流耦合至低噪声放大器(U5)进行放大，放大后的负雪崩信号进入高速比较器(U6)，负雪崩信号低于鉴别电平使得高速比较器(U6)的正相输出端Q产生负脉冲信号，同时高速比较器(U6)的反相输出端～Q产生正脉冲信号，因此D触发器(U7)的时钟输入端检测到上升沿信号后在输出端产生高电平输出，经过运算放大器电路产生放大电压送至NFAD模块(U3)的阳极，使NFAD模块(U3)两端的电压降低实现淬灭，退出盖革模式；同时FPGA控制模块(U2)产生锁存信号使高速比较器(U6)进入锁存模式，NFAD模块(U3)淬灭后，由FPGA控制模块(U2)产生锁存控制信号控制高速比较器(U6)恢复比较模式，并由FPGA控制模块(U2)产生恢复信号使D触发器(U7)重置并输出低电平，经过运算放大器电路后使得NFAD模块(U3)的阳极电压升高，恢复探测模式。
本发明的优点在于：
本发明的技术方案采用FPGA控制模块产生淬灭控制信号，淬灭控制信号为上升沿信号，进入D触发器的同相时钟输入端，D触发器的高电平数据在时钟正转变时传输到输出端，并经过低功耗的宽带运算放大器电路实现对NFAD模块的阳极加偏压，使NFAD模块两端的电压降低，实现NFAD的主动淬灭控制，从而退出盖革模式，以降低后脉冲概率，可用于白天条件下多波束激光雷达、光子数可分辨探测等；本发明的多通道自由运行模式单光子探测器具有功耗低、集成度高、体积小、电磁干扰小等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器的电路结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，包括：1路直流偏置电源U1，N个探测通道；所述的直流偏置电源U1分别与N个探测通道的电源端连接，每个探测通道的结构相同，下面以第1个探测通道的结构进行详细说明。所述的第1个探测通道包括：FPGA控制模块U2、NFAD模块U3、温控电路U4、低噪声放大器U5、高速比较器U6、D触发器U7、电平转换芯片U8、运算放大器U9、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电感HF。电阻R1的一端作为探测通道的电源端与直流偏置电源U1连接，电阻R1作为限流电阻，电阻R1的另一端与电感HF的一端连接，电容C1的一端连接在电阻R1与电感HF的连接公共点，电容C1的另一端接地，电感HF与电容C1构成输入滤波电路，电感HF的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与低噪声放大器U5的输入端连接，低噪声放大器U5的输出端与高速比较器U6的同相输入端VP连接，高速比较器U6的反相输入端VN接鉴别电平，高速比较器U6的差分输出端Q和～Q分别与D触发器U7的差分时钟端～CLK和CLK连接，D触发器U7的同相数据输出端Q与电平转换芯片U8的同相输入端IN+连接，D触发器U7的反相数据输出端～Q与电平转换芯片U8的反相输入端IN-连接，电平转换芯片U8的输出端OUT与运算放大器U9的同相输入端连接，运算放大器U9的反相输入端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的一端与运算放大器U9的反相输入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器U9输出端连接，运算放大器U9的输出端与NFAD模块U3中的二极管的阳极连接，NFAD模块U3中的二极管的阴极连接在电感HF与电容C2的连接公共点，通过阴极交流耦合方式与低噪声放大器U5的输入端连接，用于读出二极管的雪崩信号；FPGA控制模块U2产生的锁存信号分别送到高速比较器U6的两个锁存输入端LE+、LE-，FPGA控制模块U2产生的淬灭控制信号送到D触发器U7差分时钟端CLK，FPGA控制模块U2产生的恢复信号送到D触发器U7的复位输入端RST，D触发器U7的数据输入端D接高电平；温控电路U4的一端与NFAD模块U3的热敏电阻的端口连接，温控电路U4的另一端与NFAD模块U3的TEC的控制端连接，温控电路U4测量NFAD模块U3中的热敏电阻的电压变化，对NFAD模块U3的温度进行监测，并根据NFAD模块U3的温度变化实现对TEC的反馈控制。
所述的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器，所述的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器气密封装在一个壳体内，达到小型化设计的目的，NFAD模块U3的外部通过法兰散热，实现对NFAD模块U3的高效率制冷；NFAD模块U3采用负反馈InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管，InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管和薄膜电阻集成在晶圆上，减小导线互联产生的寄生参数，实现光电子雪崩信号的被动快速淬灭，达到自由运行单光子探测目的；阴极交流耦合方式用于读出雪崩信号，低噪声放大器U5采用50欧姆E-pHEMT工艺低噪声放大器，用于对雪崩信号进行放大，并采用金属壳体屏蔽电磁干扰；高速比较器U6用于对放大后的雪崩信号进行甄别，D触发器U7用于产生固定脉宽信号。
由于低纹波、高性能的直流偏置电源价格昂贵，在设计中希望降低成本，因此采用1个直流偏置电源U1为多个NFAD模块U3中的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管提供低纹波反向直流偏置，提高了多通道单光子探测器系统集成度；直流偏置电源U1采用金属壳体屏蔽，降低对InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管的电磁干扰，实现低噪声单光子探测。
采用FPGA检测雪崩信号，采用运算放大器放大FPGA输出电平来提高NFAD阳极电平，使NFAD退出盖革探测模式；采用FPGA对雪崩信号进行计时，计时结束后，控制读出电路的D触发器复位，使单光子探测器恢复盖革探测模式。采用电平转换芯片将外部低速门控信号转换为差分时钟脉冲，输出雪崩读出电路D触发器数据，触发死时间控制电路，使NFAD退出盖革探测模式。由FPGA直接控制雪崩信号读出，FPGA产生锁存控制信号实现比较器比较模式/锁存模式的改变，不需要开门脉冲发生器以及关门脉冲发生器，而是通过电平转换芯片将外部低速的FPGA门控信号转换为差分时钟脉冲，简单快速。
选择单光子探测器合适的工作温度，能够显著减少暗计数的产生，因此采用集成了NFAD芯片、TEC制冷、热敏电阻的高集成InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管，代替没有制冷和热敏电阻的二极管。本设计具有温控电路，在工作时利用温控电路对二极管进行高效率的低温制冷，达到小型化设计目的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，包括：1路直流偏置电源(U1)，N个探测通道；所述的直流偏置电源(U1)分别与N个探测通道的电源端连接，每个探测通道的结构相同；所述的探测通道包括：限流滤波电路、FPGA控制模块(U2)、NFAD模块(U3)、低噪声放大器(U5)、高速比较器(U6)、D触发器(U7)、电平转换芯片(U8)、运算放大器电路、电容C2；所述的限流滤波电路的输入端作为探测通道的电源端与直流偏置电源(U1)连接，限流滤波电路的输出端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与低噪声放大器(U5)的输入端连接，低噪声放大器(U5)的输出端与高速比较器(U6)的同相输入端VP连接，高速比较器(U6)的反相输入端VN接鉴别电平，高速比较器(U6)的正相、反相输出端Q和～Q分别与D触发器(U7)的差分时钟端～CLK和CLK连接，D触发器(U7)的正相数据输出端Q与电平转换芯片(U8)的同相输入端IN+连接，D触发器(U7)的反相数据输出端～Q与电平转换芯片(U8)的反相输入端IN-连接，电平转换芯片(U8)的输出端OUT与运算放大器电路的输入端连接，运算放大器电路的输出端与NFAD模块(U3)的阳极连接，NFAD模块(U3)的阴极连接在限流滤波电路与电容C2的连接公共点，通过阴极交流耦合方式与低噪声放大器(U5)的输入端连接，用于读出二极管的雪崩信号；FPGA控制模块(U2)产生的锁存信号分别送到高速比较器(U6)的两个锁存输入端LE+、LE-，FPGA控制模块(U2)产生的淬灭控制信号送到D触发器(U7)差分时钟端CLK，FPGA控制模块(U2)产生的恢复信号送到D触发器(U7)的复位输入端RST，D触发器(U7)的数据输入端D接高电平。
2.根据权利要求1所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，所述的NFAD模块(U3)检测到光子后产生负雪崩信号，通过电容C2交流耦合至低噪声放大器(U5)进行放大，放大后的负雪崩信号进入高速比较器(U6)，负雪崩信号低于鉴别电平使得高速比较器(U6)的正相输出端Q产生负脉冲信号，同时高速比较器(U6)的反相输出端～Q产生正脉冲信号，因此D触发器(U7)的时钟输入端检测到上升沿信号后在输出端产生高电平输出，经过运算放大器电路产生放大电压送至NFAD模块(U3)的阳极，使NFAD模块(U3)两端的电压降低实现淬灭，退出盖革模式；同时FPGA控制模块(U2)产生锁存信号使高速比较器(U6)进入锁存模式，NFAD模块(U3)淬灭后，由FPGA控制模块(U2)产生锁存控制信号控制高速比较器(U6)恢复比较模式，并由FPGA控制模块(U2)产生恢复信号使D触发器(U7)重置并输出低电平，经过运算放大器电路后使得NFAD模块(U3)的阳极电压升高，恢复探测模式。
3.根据权利要求1所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，所述的限流滤波电路包括：电阻R1、电容C1、电感HF；所述的电阻R1的一端作为探测器的电源端与直流偏置电源(U1)连接，电阻R1作为限流电阻，电阻R1的另一端与电感HF的一端连接，电容C1的一端连接在电阻R1与电感HF的连接公共点，电容C1的另一端接地，电感HF与电容C1构成输入滤波电路，电感HF的另一端与电容C2的一端连接。
4.根据权利要求1所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，所述的运算放大器电路包括：运算放大器(U9)、电阻R2、电阻R3；所述的电平转换芯片(U8)的输出端OUT与运算放大器(U9)的同相输入端连接，运算放大器(U9)的反相输入端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R2的一端与运算放大器(U9)的反相输入端连接，电阻R2的另一端与运算放大器(U9)输出端连接，运算放大器(U9)的输出端与NFAD模块(U3)的阳极连接。
5.根据权利要求1所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，所述的NFAD模块(U3)包括：InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器，所述的InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管、热敏电阻、热电制冷器气密封装在一个壳体内，NFAD模块(U3)的外部通过法兰散热。
6.根据权利要求5所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器，其特征在于，还包括温控电路(U4)，所述的温控电路(U4)的一端与NFAD模块(U3)的热敏电阻端口连接，温控电路(U4)的另一端与NFAD模块(U3)的热电制冷器控制端连接，温控电路(U4)测量NFAD模块(U3)中的热敏电阻的电压变化，对NFAD模块(U3)的温度进行监测，并根据NFAD模块(U3)的温度变化实现对热电制冷器的反馈控制。
7.一种应用于权利要求1-6任一项所述的通信波段小型化多通道自由运行模式单光子探测器的探测方法，其特征在于，所述的NFAD模块(U3)检测到光子后产生负雪崩信号，通过电容C2交流耦合至低噪声放大器(U5)进行放大，放大后的负雪崩信号进入高速比较器(U6)，负雪崩信号低于鉴别电平使得高速比较器(U6)的正相输出端Q产生负脉冲信号，同时高速比较器(U6)的反相输出端～Q产生正脉冲信号，因此D触发器(U7)的时钟输入端检测到上升沿信号后在输出端产生高电平输出，经过运算放大器电路产生放大电压送至NFAD模块(U3)的阳极，使NFAD模块(U3)两端的电压降低实现淬灭，退出盖革模式；同时FPGA控制模块(U2)产生锁存信号使高速比较器(U6)进入锁存模式，NFAD模块(U3)淬灭后，由FPGA控制模块(U2)产生锁存控制信号控制高速比较器(U6)恢复比较模式，并由FPGA控制模块(U2)产生恢复信号使D触发器(U7)重置并输出低电平，经过运算放大器电路后使得NFAD模块(U3)的阳极电压升高，恢复探测模式。
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