CN115655492A

CN115655492A - 一种单光子探测器装置及方法

Info

Publication number: CN115655492A
Application number: CN202211316813.2A
Authority: CN
Inventors: 杨露露; 葛鹏; 彭卫; 金微微; 王猛
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明公开了一种单光子探测器装置及方法，所述装置包括：单光子探测器、雪崩信号放大模块和脉冲信号处理模块，单光子探测器的阴极与雪崩信号放大模块的输入端通信连接，脉冲信号处理模块的输入端与所述雪崩信号放大模块的输出端通信连接，其输出端与单光子探测器的阳极通信连接；脉冲信号处理模块包括：高速比较器、淬灭模块和锁存模块，高速比较器的输入端与雪崩信号放大模块的输出端通信连接，高速比较器的输出端与淬灭模块输入端通信连接，淬灭模块的输出端与单光子探测器的阳极通信连接，锁存模块的输入端与高速比较器输出端通信连接，其输出端与高速比较器的输入端通信连接。通过本发明公开的一种单光子探测器装置，能够实现高计数率。

Description

一种单光子探测器装置及方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，具体为一种单光子探测器装置及方法。

背景技术

单光子探测器是一种对光子信号产生响应的光电元器件，主要包括三种类型：盖革模式单光子探测器、光电倍增管和超导纳米线等，是激光雷达，量子通信领域中不可或缺的探测器件。近年来，由于INGaAs/InP负反馈雪崩二极管(negative feedback avanlancediode，NFAD)的快速发展，自由运行单光子探测器的性能得到了极大的提升。

单光子探测器的计数率越大，单光子探测器探测到的信号频率范围就越大，其计数率不高时，就只能探测到较低频率的光信号。在影响单光子探测器的主要技术参数中，死时间是指当单光子探测器将探测到的单光子转换为电信号需要一定的时间间隔，在此段时间内无法进行下一次探测，两次探测之间的时间间隔被称之为死时间。计数率是指能够探测到的光子脉冲频率，计数率与死时间成反比。因此，死时间直接影响了单光子探测器的计数率，需要通过优化死时间实现高计数率。且在单光子探测器的脉冲信号处理模块中，其中产生淬灭信号的一路脉冲信号，连接NFAD阳极，用于控制偏压，NFAD阳极的偏压信号会直接在阴极的雪崩信号上耦合出较大的噪声振荡信号，此噪声振荡信号会被单光子探测器检测到，引发误触发。

现有技术中，申请公布号为CN109238462A的发明专利，一种光子探测方法及装置，通过采用异步计数而非同步查询的方式进行光子探测，并且在调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元的同时读取计数单元中的计数数据，这解除了时钟频率对光子计数率的限制，实现了提高光子探测的动态范围，但是没有解决噪声振荡信号引发误触发的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：解决现有的单光子探测器读出电路计数率受限，和噪声信号误触发的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种单光子探测器装置，包括：单光子探测器、雪崩信号放大模块和脉冲信号处理模块，所述单光子探测器的阴极与所述雪崩信号放大模块的输入端通信连接，所述脉冲信号处理模块的输入端与所述雪崩信号放大模块的输出端通信连接，其输出端与所述单光子探测器的阳极通信连接；

其中，所述脉冲信号处理模块包括：高速比较器、淬灭模块和锁存模块，所述高速比较器的输入端与所述雪崩信号放大模块的输出端通信连接，所述高速比较器的输出端与所述淬灭模块输入端通信连接，所述淬灭模块的输出端与所述单光子探测器的阳极通信连接，所述锁存模块的输入端与所述高速比较器输出端通信连接，其输出端与所述高速比较器输入端通信连接。

优点：通过高速比较器输出差分脉冲信号，将所述差分脉冲信号分为两路，一路输送至所述淬灭模块，并输出淬灭信号，所述单光子探测器的阳极接收所述淬灭信号，控制所述单光子探测器的阳极电平，使所述单光子探测器自主淬灭，使其快速退出盖革模式，差分脉冲信号的另一路输送至所述锁存模块输出死时间信号，并将所述死时间信号传递给所述高速比较器，通过所述死时间信号覆盖所述单光子探测器的阴极耦合的峰值噪音，以锁存所述高速比较器，避免单光子探测器在阴极耦合的峰值噪声产生误触发。并通过淬灭模块和锁存模块使差分脉冲信号的脉宽可调控制，实现高计数。

在本发明的一实施例中，所述淬灭模块包括：第一D触发器、第一电平转换器、场效应晶体管和第一RC电路，所述第一D触发器、所述第一电平转换器和所述场效应晶体管依次通信连接，所述第一D触发器的输入端与所述高速比较器的输出端通信连接，所述场效应晶体管的漏极与所述单光子探测器的阳极通信连接，所述第一RC电路的一端与所述第一D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第一D触发器的复位端通信连接。

在本发明的一实施例中，所述锁存模块包括第二D触发器、第二电平转换器、第三电平转换器和第二RC电路，所述第二D触发器、所述第二电平转换器和所述第三电平转换器依次通信连接，所述第二D触发器的输入端与所述第一D触发器的输入端通信连接，所述第三电平转换器的输出端与所述高速比较器通信连接，所述第二RC电路的一端与第二D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第二D触发器的复位端通信连接。

在本发明的一实施例中，所述第一RC电路包括第一电容和第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第一D触发器的复位端通信连接，所述第一电容的一端与所述第一电阻的另一端通信连接，另一端接地。

在本发明的一实施例中，所述淬灭模块还包括第一二极管，所述第一二极管与所述第一电阻并联或所述第一二极管的正极与所述第一电阻的另一端通信连接，负极与所述第一电平转换器的输出端通信连接。

在本发明的一实施例中，所述雪崩信号放大模块包括电源模块、耦合电容、第一放大模块和第二放大模块，所述电源模块与所述单光子探测器的阴极通信连接，所述耦合电容一端与所述单光子探测器的阴极通信连接，另一端与所述第一放大模块的输入端通信连接，所述第一放大模块与所述第二放大模块依次通信连接，所述第二放大模块的输出端与所述高速比较器的输入端通信连接。

在本发明的一实施例中，所述第一放大模块和所述第二放大模块都包括放大器、衰减器和低通滤波器，所述放大器的输出端依次通信连接所述衰减器和所述低通滤波器。

在本发明的一实施例中，所述单光子探测器装置还包括制冷模块，所述制冷模块内包括热敏电阻和制冷器，并分别与所述单光子探测器中集成的热敏电阻和制冷器引脚通信连接，所述制冷模块输出制冷电流至所述单光子探测器。

在本发明的一实施例中，所述第二D触发器的输出端还与所述高速比较器通信连接。

本发明还提供一种单光子探测器装置的方法，所述雪崩信号放大模块将放大的雪崩信号输送至所述高速比较器，所述高速比较器输出差分脉冲信号，将所述差分脉冲信号分为两路，一路输送至所述淬灭模块，并输出淬灭信号，所述单光子探测器的阳极接收所述淬灭信号，控制所述单光子探测器的阳极电平，使所述单光子探测器自主淬灭，所述差分脉冲信号的另一路输送至所述锁存模块输出死时间信号，并将所述死时间信号传递给所述高速比较器，通过所述死时间信号覆盖所述单光子探测器的阴极耦合的峰值噪音，以锁存所述高速比较器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过将脉冲信号处理模块中，两个二极管分别与两个RC电路中的电阻并联，使两个二极管的正极分别与两个D触发器的复位端通信连接，负极分别与两个D触发器的输出端或电平转换器的输出端通信连接，缩短了电容的放电时间，使与D触发器的复位端能够迅速复位，当雪崩信号紧随高速比较器输出第一个差分脉冲信号后到来，能够使第二个差分脉冲信号与第一个差分脉冲信号保持相同的脉宽，避免造成时序紊乱。两个RC电路中的电阻分别与两个D触发器的复位端通信连接，调节淬灭时间以及死时间，进而调节最大计数率。

2、第一放大模块和第二放大模块通过耦合电容与单光子探测器的阴极耦合连接，将微弱的雪崩信号进行两级放大，且两个放大器的输出端依次通信连接衰减器和低通滤波器，减小信号反射和限制信号带宽。

附图说明

图1为本发明的实施例的一种单光子探测器装置示意图。

图2为本发明的实施例的另一种单光子探测器装置示意图。

图3为本发明的实施例中脉冲信号处理模块中并联二极管前后的差分脉冲信号对比示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

请参图1所示，本发明提供一种单光子探测器装置，包括：单光子探测器100、雪崩信号放大模块200和脉冲信号处理模块300。单光子探测器100的阴极与雪崩信号放大模块200的输入端通信连接，脉冲信号处理模块300的输入端与雪崩信号放大模块200的输出端通信连接，其输出端与单光子探测器100的阳极通信连接。其中，脉冲信号处理模块300包括：高速比较器310、淬灭模块320和锁存模块330，高速比较器310的输入端与雪崩信号放大模块200的输出端通信连接，高速比较器310的输出端与淬灭模块310输入端通信连接，淬灭模块310的输出端与单光子探测器100的阳极通信连接，锁存模块330的输入端与高速比较器310的输出端通信连接，其输出端与高速比较器310的输出端通信连接。

请参图1所示，在本发明的一实施例中，所述单光子探测器装置还包括制冷模块400和第三电阻500，制冷模块400包括热敏电阻(图中未显示)和制冷器(图中未显示)，并分别与单光子探测器100中集成的热敏电阻(图中未显示)和制冷器引脚(图中未显示)通信连接，即制冷模块400中的热敏电阻与单光子探测器100中集成的热敏电阻通信连接，所述制冷器与所述制冷器引脚通信连接。制冷模块400输出制冷电流至单光子探测器100内。单光子探测器100的阳极与第三电阻500的一端通信连接，第三电阻500的另一端接地。具体的，单光子探测器100为一个NFAD单光子探测器，且内置三级热电制冷器，可以使温度制冷至-50℃。单光子探测器100内部还集成有薄膜电阻(图中未显示)和寄生电容(图中未显示)，薄膜电阻用于减少寄生电容，盖革模式下可实现自淬灭。靠薄膜电阻实现淬灭速度缓慢，所以所述的淬灭信号都是主动淬灭信号。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，雪崩信号放大模块200包括电源模块210、耦合电容220、第一放大模块230和第二放大模块240。其中，电源模块210与单光子探测器100的阴极通信连接，电源模块210最高输出电压达+90V。耦合电容220的一端与单光子探测器100的阴极通信连接，耦合电容220的另一端与第一放大模块230的输入端通信连接。第一放大模块230和第二放大模块240依次通信连接，第二放大模块240的输出端与高速比较器310的输入端通信连接。第一放大模块230和第二放大模块240通过耦合电容220与单光子探测器100的阴极耦合连接，将微弱的雪崩信号进行两级放大。第一放大模块230和第二放大模块240内分别都设置有放大器251、衰减器252和低通滤波器253，且两个放大器251的输出端依次通信连接衰减器252和低通滤波器253，用于减小信号反射和限制信号带宽。在本实施例中，带宽为50Mhz～3Ghz，第一放大模块230和第二放大模块240将雪崩信号放大40dB，衰减器252为0～3dB衰减，低通滤波器253的带宽为1Ghz。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，淬灭模块320包括第一触发器321、第一电平转换器322、场效应晶体管323和第一RC电路324，且第一触发器321、第一电平转换器322和场效应晶体管323依次通信连接。第一触发器321的输入端与高速比较器310的输出端通信连接，高速比较器310将放大后的雪崩信号进行处理，输出差分脉冲信号。高速比较器310输出的差分脉冲信号被分为两路，一路传输至第一触发器321中，经过第一触发器321产生差分脉冲，所述差分脉冲传输至第一电平转换器322，第一电平转换器322将差分脉冲转换为电平信号并传输至场效应晶体管323。场效应晶体管323的阳极与的漏极与单光子探测器100的阳极通信连接，场效应晶体管323接收电平信号后，产生淬灭信号，通过与单光子探测器100的阳极通信连接，用以控制偏压。第一RC电路324的一端与第一D触发器321的输出端通信连接，另一端与第一D触发器321的复位端通信连接，产生淬灭信号。其中，淬灭信号连接到场效应晶体管323的栅极，且场效应晶体管323的漏极与单光子探测器100的阳极通信连接，用于控制单光子探测器100的阳极电平，实现主动淬灭功能。第一RC电路324包括第一电容3241和第一电阻3242，第一电阻3242的一端与第一D触发器321的输出端通信连接，另一端与第一D触发器321复位端通信连接。第一电容3241的一端与第一电阻3242的另一端通信连接，另一端接地。淬灭模块320还包括第一二极管325，第一二极管325与第一电阻3242并联。因为第一RC电路324的时间常数t＝RC决定了充放电时间，通过第一二极管325与第一电阻3242并联，并设置第一电容3241的放电时间，输出延迟信号。第一二极管325的正极还可以与第一电阻3243的另一端通信连接，负极与第一电平转换器322的输出端通信连接，与直接和第一电阻3242并联，可以取得同样的技术效果。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，锁存模块330包括第二D触发器331、第二电平转换器332、第三电平转换器333和第二RC电路334，第二D触发器331、第二电平转换器333和第三电平转换器依次通信连接。第二D触发器331的输入端与第一D触发器的输入端321通信连接，高速比较器310输出的差分脉冲信号被分的另一路传输至第二D触发器331内，经过第二D触发器331产生差分脉冲，所述差分脉冲传输至第二电平转换器332，第二电平转换器332将差分脉冲转换为电平信号后传输至第三电平转换器333。第二RC电路334的一端与第二D触发器331的输出端通信连接，另一端与第二D触发器331的复位端通信连接，产生淬灭信号。其中淬灭信号也传输至第三电平转换器333内，第三电平转换器333输出死时间信号，其输出端与高速比较器310通信连接，以锁存高速比较器310。连接到单光子探测器100的阳极的淬灭信号，其上升沿和下降沿，在单光子探测器100的阴极耦合出较高的峰值噪音，为了避免高速比较器310误触发，通过死时间信号脉冲覆盖淬灭信号脉冲。第二RC电路334包括第二电容3341和第二电阻3342，第二电阻3342的一端与第二D触发器331的输出端通信连接，第二电阻3342的另一端与第二D触发器331的复位端通信连接。第二电容3341的一端与第二电阻3342的另一端通信连接，第二电容3341的另一端接地。锁存模块330还包括第二二极管335，第二二极管335与第二电阻3342并联，使通过设置第二电容3341的放电时间，输出延迟信号。第二二极管335的正极还可以与第二电阻3342的另一端通信连接，负极与第二电平转换器332的输出端通信连接，与直接和第二电阻3342并联，可以取得同样的技术效果。

实施例二

请参阅图2所示，本发明还提供另一种单光子探测器装置，与实施例一不同的是，去除锁存模块330中的第二电平转换器332、第三电平转换器333，使第二D触发器331的输出端直接与高速比较器310通信连接，使所述死时间信号传输至高速比较器310，以锁存高速比较器310。

请参阅图1和图2所示，在本发明的一实施例中，第一电阻3242和第二电阻3342采用数控电位器，调节淬灭时间以及死时间，进而调节最大计数率。第一D触发器321和第二D触发器331均为带异步复位功能的D触发器。在脉冲信号处理模块300中，两个二极管分别与两个RC电路中的电阻并联，使二极管的正极与D触发器的复位端通信连接，负极与D触发器的输出端或电平转换器的输出端通信连接，缩短了电容的放电时间，使与D触发器的复位端能够迅速复位，当雪崩信号紧随高速比较器310输出第一个差分脉冲信号后到来，能够使第二个差分脉冲信号与第一个差分脉冲信号保持相同的脉宽，如图3所示。而不加二极管的脉冲信号处理模块300中，由于D触发器的复位信号还处于放电状态，则会影响第二个差分脉冲信号的脉冲，出现第二个差分脉冲信号的脉宽明显缩短现象，造成时序紊乱。

实施例三

根据实施例一和实施例二提供的单光子探测器装置，本发明还提供一种单光子探测器装置的方法，包括：所述雪崩信号放大模块将放大的雪崩信号输送至所述高速比较器，所述高速比较器输出差分脉冲信号，将所述差分脉冲信号分为两路，一路输送至所述淬灭模块，并输出淬灭信号，所述单光子探测器的阳极接收所述淬灭信号，控制所述单光子探测器的阳极电平，使所述单光子探测器自主淬灭，所述差分脉冲信号的另一路输送至所述锁存模块输出死时间信号，并将所述死时间信号传递给所述高速比较器，通过所述死时间信号覆盖所述单光子探测器的阴极耦合的峰值噪音，以锁存所述高速比较器。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种单光子探测器装置，其特征在于，包括：单光子探测器、雪崩信号放大模块和脉冲信号处理模块，所述单光子探测器的阴极与所述雪崩信号放大模块的输入端通信连接，所述脉冲信号处理模块的输入端与所述雪崩信号放大模块的输出端通信连接，其输出端与所述单光子探测器的阳极通信连接；

2.根据权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述淬灭模块包括：第一D触发器、第一电平转换器、场效应晶体管和第一RC电路，所述第一D触发器、所述第一电平转换器和所述场效应晶体管依次通信连接，所述第一D触发器的输入端与所述高速比较器的输出端通信连接，所述场效应晶体管的漏极与所述单光子探测器的阳极通信连接，所述第一RC电路的一端与所述第一D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第一D触发器的复位端通信连接。

3.根据权利要求2所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述锁存模块包括第二D触发器、第二电平转换器、第三电平转换器和第二RC电路，所述第二D触发器、所述第二电平转换器和所述第三电平转换器依次通信连接，所述第二D触发器的输入端与所述第一D触发器的输入端通信连接，所述第三电平转换器的输出端与所述高速比较器通信连接，所述第二RC电路的一端与第二D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第二D触发器的复位端通信连接。

4.根据权利要求2所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述第一RC电路包括第一电容和第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一D触发器的输出端通信连接，另一端与所述第一D触发器的复位端通信连接，所述第一电容的一端与所述第一电阻的另一端通信连接，另一端接地。

5.根据权利要求4所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述淬灭模块还包括第一二极管，所述第一二极管与所述第一电阻并联或所述第一二极管的正极与所述第一电阻的另一端通信连接，负极与所述第一电平转换器的输出端通信连接。

6.根据权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述雪崩信号放大模块包括电源模块、耦合电容、第一放大模块和第二放大模块，所述电源模块与所述单光子探测器的阴极通信连接，所述耦合电容一端与所述单光子探测器的阴极通信连接，另一端与所述第一放大模块的输入端通信连接，所述第一放大模块与所述第二放大模块依次通信连接，所述第二放大模块的输出端与所述高速比较器的输入端通信连接。

7.根据权利要求6所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述第一放大模块和所述第二放大模块都包括放大器、衰减器和低通滤波器，所述放大器的输出端依次通信连接所述衰减器和所述低通滤波器。

8.根据权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述单光子探测器装置还包括制冷模块，所述制冷模块内包括热敏电阻和制冷器，并分别与所述单光子探测器中集成的热敏电阻和制冷器引脚通信连接，所述制冷模块输出制冷电流至所述单光子探测器。

9.根据权利要求3所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述第二D触发器的输出端还与所述高速比较器通信连接。

10.一种基于权利要求1-9所述的单光子探测器装置的方法，其特征在于，所述雪崩信号放大模块将放大的雪崩信号输送至所述高速比较器，所述高速比较器输出差分脉冲信号，将所述差分脉冲信号分为两路，一路输送至所述淬灭模块，并输出淬灭信号，所述单光子探测器的阳极接收所述淬灭信号，控制所述单光子探测器的阳极电平，使所述单光子探测器自主淬灭，所述差分脉冲信号的另一路输送至所述锁存模块输出死时间信号，并将所述死时间信号传递给所述高速比较器，通过所述死时间信号覆盖所述单光子探测器的阴极耦合的峰值噪音，以锁存所述高速比较器。