CN115452145A - 一种单光子探测器的测试装置 - Google Patents

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CN115452145A CN202211046784.2A CN202211046784A CN115452145A CN 115452145 A CN115452145 A CN 115452145A CN 202211046784 A CN202211046784 A CN 202211046784A CN 115452145 A CN115452145 A CN 115452145A
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Abstract

本发明公开了一种单光子探测器的测试装置，包括：脉冲光源模块，用于产生照射单光子探测器的单光子光源；模式切换模块，包括偏置器、模式切换开关以及可调电阻；可调电阻设置在直流偏置电压源和偏置器一输入端相连接；模式切换开关设置在偏置器另一输入端与门脉冲偏置源之间，用于门控模式与自由运行模式的切换；偏置器的输出端与单光子探测器输入端相连接；参数提取模块，包括鉴别器和逻辑判断电路；鉴别器的输入端与单光子探测器的输出端相连接；逻辑判断电路与所述鉴别器的输出端和第一脉冲信号分别相连接，经第一与门获取光子计数，经非门与第二与门获取暗计数。本发明高效灵活地实现了门控模式与自由运行模式的切换以及性能参数的获取。

Description

一种单光子探测器的测试装置
技术领域
本发明涉及单光子探测及激光雷达技术领域，特别涉及一种单光子探测器的测试装置。
背景技术
1905年，爱因斯坦提出光是由一个个小能量单元构成，即光子是光的最小组成单位。单个光子的能量在可见光或近红外波段大概是10-19焦耳，传统的光电探测器无法实现对单个光子的有效探测。单光子探测器具有灵敏度高、信噪比高和时间抖动低等众多优势。因此，单光子探测器应运而生。单光子探测技术广泛应用于量子密钥分发、激光测距、生物荧光检测、DNA反应等弱光探测领域。
激光雷达是单光子探测器在激光测距领域的重要应用。激光雷达是一种基于光学探测与测距的光学遥感技术，实用窄线宽短脉冲激光在大气中进行光子激射从而产生背向散射。接收这些微弱的背向散射信号需要用到单光子探测器等高灵敏度的光学探测设备。
单光子探测器的工作模式主要分为：门控模式与自由运行模式。门控模式一般应用于量子通讯领域，而在单光子探测器研究中进行性能测试时，也时常采用门控模式以调节单光子探测器的测试重复频率与死时间。
对于激光雷达应用，信号源的到达时间是不确定的，因而需要单光子探测器在自由运行模式下工作。对于单光子探测器的性能表征，门控模式与自由运行模式往往是同时被需要的。而不同电压源与不同的信号处理方式间的差异，导致了两种测试系统往往缺乏兼容性，大大降低了研发测试效率。
通常，为了表征单光子探测器如SPAD(单光子雪崩二极管)的性能优劣，本领域提出了一些适用于单光子的性能参数：光子计数、暗计数、探测效率、后脉冲概率以及死时间等等。而现有的单光子SPAD的测试方案中，对这些参数的表征都不够直接与直观，往往需要经过繁杂的测试过程与计算过程，才能得到相应的性能参数，增加了单光子SPAD表征的复杂性。
综上，现有技术中，缺少一种高效地、标准化地、灵活地表征单光子探测器性能的测试装置，且对光子计数、暗计数等的测试方法存在一定的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种单光子探测器的测试装置，通过模式切换模块解决了探测模式间的切换，通过参数提取模块改进了性能参数的获取问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一方面，一种单光子探测器的测试装置，包括：
脉冲光源模块，用于产生照射单光子探测器的单光子光源；
模式切换模块，包括偏置器、模式切换开关以及可调电阻；所述可调电阻设置在直流偏置电压源和偏置器一输入端相连接；所述模式切换开关设置在偏置器另一输入端与门脉冲偏置源之间，用于门控模式与自由运行模式的切换；所述偏置器的输出端与单光子探测器输入端相连接；
参数提取模块，包括鉴别器和逻辑判断电路；所述鉴别器的输入端与单光子探测器的输出端相连接；所述逻辑判断电路与所述鉴别器的输出端和第一脉冲信号分别相连接，经第一与门获取光子计数，经非门与第二与门获取暗计数。
优选的，所述的单光子探测器的测试装置，还包括制冷模块，所述制冷模块包括封闭腔，用于为单光子探测器提供封闭的制冷环境；所述单光子探测器设置在所述制冷模块内。
优选的，所述脉冲光源模块包括脉冲激光器、监控光路和光衰减器；所述脉冲激光器与信号发生器相连接用于产生脉冲激光；所述监控光路包括1/99光纤分路器；脉冲激光经过1/99光纤分路器分为两路，1％分路连接光衰减器以衰减脉冲激光；所述光衰减器的输出端通过光纤与与光子探测器相连接。
优选的，所述监控光路还包括光功率计；所述光功率计与1/99光纤分路器输出的99％分路相连接以监控脉冲光源。
优选的，所述模式切换模块还包括稳态触发器和数字延时器；所述稳态触发器设置在信号发生器与数字延时器之间，所述信号发生器产生的第二脉冲信号经过稳态触发器被调制成脉宽与幅度所需的方波电平信号，经数字延时器后与脉冲激光同步，作为门脉冲偏置源。
优选的，所述参数提取模块还包括低通滤波器；所述低通滤波器设置在所述单光子探测器与鉴别器之间。
优选的，所述参数提取模块还包括放大器；所述放大器设置在所述单光子探测器与鉴别器之间。
优选的，所述参数提取模块还包括计数单元；所述计数单元与所述第一与门相连接用于提取光子计数；所述计数单元与所述第二与门相连接用于提取暗计数。
优选的，所述计数单元包括示波器或频率计数器。
优选的，所述单光子探测器包括单光子雪崩二极管。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明包括模式切换模块，其中的偏置器和模式切换开关的结合，为单光子门控模式与自由运行模式的切换提供了简易便捷的实现，同时通过可调电阻匹配不同模式下的电路，满足了单光子探测器的性能验证中对两种模式的需求；
(2)本发明包括参数提取模块，其中的鉴别器能够将单光子探测器输出的雪崩脉冲信号转换为数字电平信号；基于所述数字电平信号和第一脉冲信号，通过第一与门获取光子计数，经非门与第二与门获取暗计数，从而分别实现了光计数以及暗计数的分离统计，简化了单光子数据处理过程，提高了性能参数提取的效率；
(3)本发明的单光子监控光路包括包括1/99光纤分路器和光功率计；脉冲激光经过1/99光纤分路器分为两路，1％分路连接光衰减器以衰减脉冲激光生成单光子光源，光功率计与99％分路相连接实现了实时监控脉冲光源，提升了单光子探测的效率，提高了输出单光子光源的可靠性；
(4)本发明包括为单光子探测器提供封闭的制冷环境的制冷模块，为测试提供了稳定可行的环境。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种单光子探测器的测试装置不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例的单光子探测器的测试装置的结构框图；
图2为本发明实施例的脉冲光源模块的结构框图；
图3为本发明实施例的模式切换模块的电路示意图；
图4为本发明实施例的参数提取模块的结构框图；
图5为本发明实施例的逻辑判断电路的结构框图；
图6为本发明实施例的单光子探测器的测试装置的时序图；其中(a)表示信号发生器输出的第二脉冲信号；(b)表示第一脉冲信号；(c)表示单光子光源信号；(d)表示SPAD输出的脉冲模拟信号；(e)表示鉴别器输出的数字电平信号；(f)表示第一与门输出的光子计数电平信号；(g)表示非门的输出；(h)表示第二与门输出的暗计数电平信号。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图5所示，本发明一种单光子探测器的测试装置，包括：
脉冲光源模块10，用于产生照射单光子探测器50的单光子光源101；
制冷模块20，包括封闭腔201，用于为单光子探测器50提供封闭的制冷环境；所述单光子探测器50设置在所述制冷模块20内；
模式切换模块30，包括偏置器301、模式切换开关302以及可调电阻303；所述可调电阻303设置在直流偏置电压源304和偏置器301一输入端相连接；所述模式切换开关302设置在偏置器301另一输入端与门脉冲偏置源305之间，用于门控模式与自由运行模式的切换；所述偏置器301的输出端串联单光子探测器50后接地，进一步的，所述偏置器301的输出端还串联一电阻Rs。
参数提取模块40，包括鉴别器401和逻辑判断电路402；所述鉴别器401的输入端与单光子探测器50的输出端相连接；所述逻辑判断电路402与所述鉴别器401的输出端和第一脉冲信号701分别相连接，经第一与门4021获取光子计数80，经非门4023与第二与门4022获取暗计数90。
参见图1所示，所述测试装置还包括所述参数提取模块40还包括计数单元60；所述计数单元60与所述第一与门4021相连接用于提取光子计数80；所述计数单元60与所述第二与门4022相连接用于提取暗计数90。
具体的，所述计数单元60包括示波器或频率计数器。
具体的，参见图2所示，所述脉冲光源模块10主要包括四个部分：脉冲激光器101、监控光路、光衰减器103以及光纤104。根据本发明的一个实施例，所述脉冲激光器101用于产生脉冲激光，可使用半导体激光器配合调制信号实现脉冲激光的激发，也可以直接使用脉冲激光器实现脉冲激光的激发。无论使用何种方式产生脉冲激光源，用于激发脉冲激光的第二脉冲信号(可由信号发生器70产生)都将被当作时钟信号，并作为单光子探测器SPAD的门脉冲偏置源305的来源。
本实施例中，所述第一脉冲信号701，可以是由所述信号发生器70产生的第二脉冲信号经降频模块(降频比例可以在1/2～1/1000之间调整)处理后生成。具体的，可以在脉冲激光器101之后设置降频模块，降频模块的输出一路作为所述第一脉冲信号，另一路输出至监控光路。当然，所述第一脉冲信号701也可以根据需要另外单独生成，具体的生成方法本实施例不做限制。
具体的，所述光衰减器103可以是可调光衰减器。
根据本发明的一个实施例，所述脉冲激光与监控光路相连。监控光路包括1/99光纤分路器1021以及光功率计1022，脉冲激光经过1/99光纤分路器1021分为两路，其中99％分路连接光功率计1022以监控脉冲光源，而1％分路连接光衰减器103以衰减脉冲激光。可调光衰减器103连接在1％光纤104分路之后，其输出端通过光纤104与SPAD相连接。最终，通过衰减得到0.1光子/脉冲的单光子光源101。一实施例中，1550nm的单个脉冲能量约为1.282×10-20J，以衰减器为60dB的幅度为例，其衰减前的脉冲能量为1.282×10-14J，由于采用了1：99的光纤104分路器，则99％光纤104分路的脉冲能量为1.282×10-12J。光功率计1022测得的数据应为光脉冲平均功率，以光脉冲重复频率为500kHz为例，则平均功率为0.635μW。
本实施例的脉冲激光经过1/99光纤分路器1021分为两路，1％分路连接光衰减器103以衰减脉冲激光生成单光子光源101，光功率计1022与99％分路相连接实现了实时监控脉冲光源，提升了单光子探测的效率，提高了输出单光子光源101的可靠性。
具体的，所述制冷模块20用于为SPAD提供封闭制冷环境以及光耦合尾纤(光耦合尾纤连接单光子探测器50SPAD与输入的单光子光源101，负责将单光子耦合至SPAD光敏面)。根据本发明的一个实施例，所述制冷模块20最好可以满足常温至-70℃的制冷范围。为了提供稳定可行的测试环境，需对封闭腔201进行真空处理，以消除制冷导致的水蒸气凝结的影响。根据本发明的一个实施例，真空腔的一个端面可用于放置脉冲激光光纤104的耦合光窗以提升单光子光源101耦合效率，同时简化光纤104耦合操作步骤。
参见图3所示，所述模式切换模块30包括：直流偏置电压源304、门脉冲偏置源305、偏置器301、模式切换开关302以及可调电阻303。直流偏置电压源304用于为SPAD提供工作电压，门控模式下，直流偏置电压源304使SPAD保持在线性模式中，即击穿电压前的某一较高偏置电压下；自由运行模式下，直流偏置电压源304使SAPD保持在盖格模式中的工作偏置电压下。门脉冲偏置电压源为门脉冲信号，其来源于信号发生器70输出的第二脉冲信号。根据本发明的一个实施例，第二脉冲信号经过稳态触发器等被调制成脉宽与幅度所需的方波电平信号，再经过数字延时器与脉冲激光同步，最后经过偏置器301与直流偏置电压源304耦合(这里的耦合是指电的耦合，直流偏置电压源304与经数字延时器处理后的脉冲信号的耦合；电耦合后连接到SPAD的两个电极，给SPAD供电)。
根据本发明的一个实施例，在数字延时器与偏置器301之间包括一模式切换开关302以切换门控模式与自由运行模式。同时，通过调节可变电阻大小，使得电路适应自由运行模式。相应地，直流偏置电压源304的大小也应被一并调节。如图3所示为模式切换开关302的原理图。根据本发明的一个实施例，模式切换开关302可以实现偏置器301在电路的接入或断开，以实现门脉冲信号的接入或断开。此外，可调电阻303用于匹配不同模式下的电路，门控模式下，可调电阻303用于调试电路保持门脉冲波形，一般需要在几百Ω到近千Ω之间被调节；自由运行模式下，可调电阻303用于充当雪崩自淬灭的分压电阻，通常需要被调整到几百kΩ。
本实施例提供了带有电路切换功能的偏置器301，为单光子探测模式切换的实现提供了更为简易的方式。对于单光子探测器50的性能验证中，门脉冲模式与自由运行模式都是所必须的。所以，在模式间便捷地切换就显得尤为重要。
参见图4所示，所述参数提取模块40包括：低通滤波器403、放大器404、鉴别器401以及逻辑判断电路402。根据本发明的一个实施例，在门控工作模式下，SPAD输出信号中，除了有单光子雪崩脉冲信号，还叠加有门脉冲引起的微分噪声信号。需要通过信号提取电路将有效的雪崩脉冲信号从中提取出来。SPAD输出信号，首先经过低通滤波器，将雪崩脉冲信号与微分噪声信号分离。具体的低通滤波带宽可以根据实际情况做相应调整。经过低通滤波后的，雪崩脉冲信号一般能量损失较大，进而需要经过放大器对信号进行放大，经过放大的雪崩脉冲信号再经过鉴别器401将雪崩脉冲信号转换为数字电平信号以便计数。
根据本发明的一个实施例，在自由运行模式下，SPAD输出信号不再叠加有微分噪声信号。可经过放大器处理后进行鉴别器401，以实现雪崩脉冲信号向数字电平信号的转变，从而实现后续计数。
根据本发明的一个实施例，雪崩脉冲信号最终被输入如图5所示的逻辑判断电路402以提取不同的单光子性能参数。逻辑判断电路402的其中一个输入端的信号是接经过数字延时器的第一脉冲信号701。而另一端则是鉴别器401输出的电平信号，其被分为多路，分别与第一脉冲信号701在不同的逻辑电路中被处理，以实现对光子计数80以及暗计数90的分别提取。实现单光子性能参数的有效提取。
具体的，所述逻辑判断电路402包括第一与门4021、第二与门4022和非门4023。所述第一脉冲信号701和鉴别器401输出的电平信号分别作为第一与门4021的两输入信号，所述第一与门4021的输出信号即为光子计数80电平信号。所述第一脉冲信号701作为非门4023的输入信号，所述非门4023的输出信号和鉴别器401输出的电平信号分别作为第二与门4022的两输入信号，所述第二与门4022的输出信号即为暗计数90电平信号。
本实施例通过逻辑判断电路402，实现了光子计数80、暗计数90等参数的分别提取，同时提高了参数提取的可靠性。SPAD输出信号在经过滤波以及鉴别后，被分为多路信号，经过不同的逻辑判断电路402，分别实现了光计数以及暗计数90的分离统计，简化了单光子数据处理过程，提高了性能参数提取的效率。
参见图6所示，为本发明实施例的单光子探测器的测试装置各信号的时序图，其中(a)表示信号发生器输出的第二脉冲信号；(b)表示第一脉冲信号；(c)表示单光子光源信号；(d)表示SPAD输出的脉冲模拟信号；(e)表示鉴别器输出的数字电平信号；(f)表示第一与门输出的光子计数电平信号；(g)表示非门的输出；(h)表示第二与门输出的暗计数电平信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单光子探测器的测试装置，其特征在于，包括：
脉冲光源模块，用于产生照射单光子探测器的单光子光源；
模式切换模块，包括偏置器、模式切换开关以及可调电阻；所述可调电阻设置在直流偏置电压源和偏置器一输入端相连接；所述模式切换开关设置在偏置器另一输入端与门脉冲偏置源之间，用于门控模式与自由运行模式的切换；所述偏置器的输出端与单光子探测器输入端相连接；
参数提取模块，包括鉴别器和逻辑判断电路；所述鉴别器的输入端与单光子探测器的输出端相连接；所述逻辑判断电路与所述鉴别器的输出端和第一脉冲信号分别相连接，经第一与门获取光子计数，经非门与第二与门获取暗计数。
2.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，还包括制冷模块，所述制冷模块包括封闭腔，用于为单光子探测器提供封闭的制冷环境；所述单光子探测器设置在所述制冷模块内。
3.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述脉冲光源模块包括脉冲激光器、监控光路和光衰减器；所述脉冲激光器与信号发生器相连接用于产生脉冲激光；所述监控光路包括1/99光纤分路器；脉冲激光经过1/99光纤分路器分为两路，1％分路连接光衰减器以衰减脉冲激光；所述光衰减器的输出端通过光纤与与光子探测器相连接。
4.据权利要求3所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述监控光路还包括光功率计；所述光功率计与1/99光纤分路器输出的99％分路相连接以监控脉冲光源。
5.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述模式切换模块还包括稳态触发器和数字延时器；所述稳态触发器设置在信号发生器与数字延时器之间，所述信号发生器产生的第二脉冲信号经过稳态触发器被调制成脉宽与幅度所需的方波电平信号，经数字延时器后与脉冲激光同步，作为门脉冲偏置源。
6.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述参数提取模块还包括低通滤波器；所述低通滤波器设置在所述单光子探测器与鉴别器之间。
7.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述参数提取模块还包括放大器；所述放大器设置在所述单光子探测器与鉴别器之间。
8.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述参数提取模块还包括计数单元；所述计数单元与所述第一与门相连接用于提取光子计数；所述计数单元与所述第二与门相连接用于提取暗计数。
9.根据权利要求7所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述计数单元包括示波器或频率计数器。
10.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述单光子探测器包括单光子雪崩二极管。
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