CN210036963U - 一种集成化单光子探测器组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成化单光子探测器组件，包括基板，还包括温控芯片和多功能集成芯片，温控芯片包括TEC芯片，多功能集成芯片集成窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块，多功能集成芯片置于TEC芯片上方，窄脉冲处理模块与雪崩信号符合模块连接，雪崩信号符合模块与雪崩信号甄别模块连接；本实用新型具有电路所占空间小，生产制造难度小，节约成本的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子通信领域，更具体涉及一种集成化单光子探测器组件。
背景技术
目前，量子通信系统中单光子作为信息载体被广泛应用，利用单光子探测器作为光电接收模块对单光子进行探测计数。而单光子探测器进行光电转换并提取出有效信号进行计数需要复杂的处理过程，信号处理功能模块种类多，大量采用PCB印刷线路板，且多采用风扇散热系统对一个或多个模块进行散热和温度控制，不能避免温度波动，实际测试过程中发现温度的波动会导致各功能模块中信号处理的不稳定性，各模块之间的线路连接增加了电路阻抗，易导致信号失真。
作为重要的信号处理模块，单光子探测器中窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块、雪崩信号符合模块皆采用大面积的PCB印刷线路板，各模块化PCB印刷线路板之间线路连接繁琐，信号处理的质量得不到保障。
现有技术各功能模块多采用模块化PCB印刷线路板，致使单光子探测器中窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块、雪崩信号符合模块体积大，制造成本高，各功能模块普遍采用风冷散热系统，不能集中进行散热并控制温度的大幅度波动，造成各功能模块在信号处理过程中信号易产生温漂，降低信号质量，各个功能模块之间线路连接冗余，易导致信号失真。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术的单光子探测器的各功能模块多采用模块化PCB印刷线路板造成体积大、制造成本高的问题。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种集成化单光子探测器组件，包括基板，还包括温控芯片和多功能集成芯片，所述温控芯片包括TEC芯片，所述TEC芯片固定在基板上，所述多功能集成芯片置于TEC芯片上方，所述多功能集成芯片集成窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块，所述窄脉冲处理模块与所述雪崩信号符合模块连接，所述雪崩信号符合模块与所述雪崩信号甄别模块连接。
优选的，所述多功能集成芯片的集成方法采用COB裸芯片技术，窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块之间的电气连接集成在芯片内部。
优选的，所述多功能集成芯片的引线与基板的电气连接采用引线键合的方法实现。
优选的，所述多功能集成芯片及其引线皆用封胶进行软包封在基板上。
优选的，所述多功能集成芯片外部连接有APD器件，门控信号输入引线与窄脉冲处理模块的输入端连接，窄脉冲处理模块的输出端与雪崩信号符合模块的一个输入端连接，窄脉冲处理模块的输出端通过偏压门信号输出引线与APD器件连接；雪崩信号甄别模块的一个输入端通过雪崩信号输入引线与APD器件连接，雪崩信号甄别模块的另一个输入端与甄别阈输入引线连接，雪崩信号甄别模块的输出端与雪崩信号符合模块的另一个输入端连接，雪崩信号符合模块的输出端与脉冲计数信号输出引线连接，APD器件接收光子信号，所述温控芯片与多功能集成芯片接触连接。
优选的，所述温控芯片还包括温度探头以及外部控制电路，所述温度探头固定在所述TEC芯片上，所述外部控制电路包括DC/DC芯片、ARM处理器、A/D转换器和D/A转换器，所述温度探头与A/D转换器、ARM处理器、D/A转换器以及DC/DC芯片顺次连接，TEC芯片连接在温度探头和DC/DC芯片之间。
优选的，所述TEC芯片以及温度探头均包括输出引线和输入引线，TEC芯片的引线以及温度探头的引线均与基板实现电气连接，并且用封胶进行软包封在基板上。
优选的，所述温度探头为PT100电阻。
优选的，所述TEC芯片位于基板中间位置并压合在基板上，所述多功能集成芯片位于TEC芯片上方中间位置通过导热胶粘接在TEC芯片上，温度探头固定在TEC芯片上靠近多功能集成芯片的位置，所述多功能集成芯片的输出引线布置在所述TEC芯片的左侧，所述多功能集成芯片的输入引线布置在所述TEC芯片的右侧，温度探头的输入引线以及输出引线与TEC芯片的输入引线并排位于TEC芯片下方，TEC芯片的输出引线位于TEC芯片上方。
优选的，所述集成化单光子探测器组件还包括散热器，所述基板通过导热垫或导热硅脂安装在散热器上。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：
(1)将单光子探测器的窄脉冲处理、雪崩信号甄别、雪崩信号符合三种功能集成化形成多功能集成芯片，缩小了原有电路所占空间，降低生产制造难度，节约成本。
(2)基于温控芯片，对多功能集成芯片集中控温，减小温度波动，降低信号的温漂，提高了信号质量。
(3)采用引线键合方法实现与其它模块的电气连接，降低了信号控制的复杂度，避免了高阻抗电路带来的信号失真。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实用新型描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例所公开的一种集成化单光子探测器组件的装配图；
图2是本实用新型实施例所公开的一种集成化单光子探测器组件的多功能集成芯片工作原理图；
图3是本实用新型实施例所公开的一种集成化单光子探测器组件的温控芯片工作流程图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种集成化单光子探测器组件，包括多功能集成芯片1、基板2以及温控芯片3。
结合图2所示，所述多功能集成芯片1将窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块集成为统一的多功能裸芯片。作为可选的方案，集成方法采用COB裸芯片技术，三种功能模块之间的电气连接集成在芯片内部，所述多功能集成芯片1的输入引线有门控信号输入引线、雪崩信号输入引线、甄别阈输入引线，输出引线有脉冲计数信号输出引线和偏压门信号输出引线，多功能集成芯片1的引线与基板2的电气连接采用引线键合的方法实现。
请继续参阅图2，门控信号输入引线与窄脉冲处理模块的输入端连接，窄脉冲处理模块的输出端与雪崩信号符合模块的一个输入端连接，输出符合门信号给雪崩信号符合模块，同时，窄脉冲处理模块的输出端通过偏压门信号输出引线与APD器件连接，输出偏压门信号给APD器件；雪崩信号甄别模块的一个输入端通过雪崩信号输入引线与APD器件连接，输入雪崩信号，雪崩信号甄别模块的另一个输入端与甄别阈输入引线连接，输入甄别阈值，雪崩信号甄别模块的输出端与雪崩信号符合模块的另一个输入端连接，雪崩信号符合模块的输出端与脉冲计数信号输出引线连接，输出脉冲计数信号。APD器件接收光子信号，温控芯片3与多功能集成芯片1接触连接。该实施例中，APD为外部被测试对象，不属于该探测器组件的一部分。
结合图2，如图3所示，所述温控芯片3包括TEC芯片301、温度探头302、DC/DC芯片303、ARM处理器304、A/D转换器305和D/A转换器306。
TEC芯片301被压接在基板2上进行固定，TEC芯片301的引线通过键合的方法与基板2实现电气连接。
所述多功能集成芯片1置于TEC芯片301上方，所述温度探头302固定在所述TEC芯片301上靠近多功能集成芯片1的位置，温度探头302通过采集TEC芯片301的温度信号从而实时采集多功能集成芯片1的温度值。
TEC芯片301、温度探头302、A/D转换器305、ARM处理器304、D/A转换器306以及DC/DC芯片303顺次首尾连接，温度探头302采集TEC芯片301的温度信号，把多功能集成芯片1的实时温度转换为电压信号，并且传递给A/D转换器305，经过A/D转换器305转换以后的信号传递给ARM处理器304，ARM处理器304读取此时温度，并且与处理器内部预存的所需的常温数据比较，根据温度反馈算法输出一组D/A码，D/A码通过D/A转换器306转换以后传递给DC/DC芯片303，来控制DC/DC芯片303的输出电压，进而控制TEC芯片301的温度，反复循环实现对多功能集成芯片1的常温控制。
以40MHz门控信号为例，多功能集成芯片1的信号处理过程为：窄脉冲处理模块将40MHz(25ns)门控信号作脉宽变窄处理，生成脉宽为1.6ns的偏压门信号和符合门信号，分别发送给APD器件的偏置电压电路和雪崩信号符合模块，偏压门信号作用于APD器件的偏置电压电路，控制APD器件发生雪崩与雪崩抑制，符合门信号配合雪崩信号符合模块从雪崩微分信号中提取有效信号进行计数；雪崩信号甄别模块将APD器件产生的微弱雪崩信号通过放大电路进行放大，通过给定的甄别阈滤除雪崩信号中由热噪声、后脉冲诱发的雪崩信号以及同时到达的多光子诱发的雪崩信号，从中提取出由单光子诱发的雪崩信号；雪崩信号符合模块利用逻辑与门将雪崩信号甄别模块输出的微分信号与窄脉冲处理模块输出的符合门信号进行逻辑与处理，提取雪崩信号甄别模块输出的微分信号中的雪崩信号，输出脉冲计数信号。温控芯片3实现对多功能集成芯片1的常温控制。
作为优选的方案，多功能集成芯片1、TEC芯片301、温度探头302和引线皆用封胶进行软包封在基板2上，防止受到污染和人为损坏，以及防止多功能集成芯片1与TEC芯片301之间存在的电路干扰问题。
作为优选方案，所述温度探头302为PT100电阻。
作为优选方案，所述TEC芯片301位于基板2中间位置并压合在基板2上，所述多功能集成芯片1位于TEC芯片301上方中间位置通过导热胶粘接在TEC芯片301上，温度探头302固定在TEC芯片301上靠近多功能集成芯片1的位置，所述多功能集成芯片1、TEC芯片301以及温度探头302均包括输出引线(图未标)和输入引线(图未标)，所述多功能集成芯片1的输出引线布置在所述TEC芯片301的左侧，所述多功能集成芯片1的输入引线布置在所述TEC芯片301的右侧，温度探头302的输入引线以及输出引线与TEC芯片301的输入引线并排位于TEC芯片301下方，TEC芯片301的输出引线位于TEC芯片301上方。
作为优选方案，多功能集成芯片1的引线和TEC芯片301的引线以及温度探头302的引线均通过引线键合的方法与基板2实现电气连接。
作为优选方案，所述TEC芯片301和基板2均为矩形。
作为优选方案，单光子探测器组件还包括散热器4，基板2通过导热垫或导热硅脂安装在散热器4上，通过散热器4进行散热。
本实用新型的工作原理为：利用COB工艺将单光子探测器中的门控信号窄脉冲处理、雪崩信号甄别、雪崩信号符合三种功能PCB印刷电路板集成为单一的多功能裸芯片，使原有电路集成小型化，并利用温控芯片3对该裸芯片进行集中控温，使该裸芯片输出信号质量更高，并且降低了阻抗对信号失真的影响，有助于提高单光子探测器计数效率。
通过以上技术方案，本实用新型提供的一种集成化单光子探测器组件基于COB工艺，将单光子探测器中的窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块、雪崩信号符合模块的PCB印刷线路板作集成化裸芯片处理，并配套设计该集成化裸芯片的温控芯片3，具有电路所占空间小，生产制造难度小，节约成本的优点，基于温控芯片3，对功能集成化芯片集中控温，减小温度波动，降低信号的温漂，提高了信号质量，采用引线键合方法实现与其它模块的电气连接，降低了信号控制的复杂度，避免了高阻抗电路带来的信号失真。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成化单光子探测器组件，包括基板，其特征在于，还包括温控芯片和多功能集成芯片，所述温控芯片包括TEC芯片，所述TEC芯片固定在基板上，所述多功能集成芯片置于TEC芯片上方，所述多功能集成芯片集成窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块，所述窄脉冲处理模块与所述雪崩信号符合模块连接，所述雪崩信号符合模块与所述雪崩信号甄别模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块之间的电气连接集成在所述多功能集成芯片内部。
3.根据权利要求1所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述多功能集成芯片的引线与基板电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述多功能集成芯片及其引线皆用封胶进行软包封在基板上。
5.根据权利要求1所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述多功能集成芯片外部连接有APD器件，门控信号输入引线与窄脉冲处理模块的输入端连接，窄脉冲处理模块的输出端与雪崩信号符合模块的一个输入端连接，窄脉冲处理模块的输出端通过偏压门信号输出引线与APD器件连接；雪崩信号甄别模块的一个输入端通过雪崩信号输入引线与APD器件连接，雪崩信号甄别模块的另一个输入端与甄别阈输入引线连接，雪崩信号甄别模块的输出端与雪崩信号符合模块的另一个输入端连接，雪崩信号符合模块的输出端与脉冲计数信号输出引线连接，APD器件接收光子信号，所述温控芯片与多功能集成芯片接触连接。
6.根据权利要求1所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述温控芯片还包括温度探头以及外部控制电路，所述温度探头固定在所述TEC芯片上，所述外部控制电路包括DC/DC芯片、ARM处理器、A/D转换器和D/A转换器，所述温度探头与A/D转换器、ARM处理器、D/A转换器以及DC/DC芯片顺次连接，TEC芯片连接在温度探头和DC/DC芯片之间。
7.根据权利要求6所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述TEC芯片以及温度探头均包括输出引线和输入引线，TEC芯片的引线以及温度探头的引线均与基板实现电气连接，并且用封胶进行软包封在基板上。
8.根据权利要求6所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述温度探头为PT100电阻。
9.根据权利要求6所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，所述TEC芯片位于基板中间位置并压合在基板上，所述多功能集成芯片位于TEC芯片上方中间位置通过导热胶粘接在TEC芯片上，温度探头固定在TEC芯片上靠近多功能集成芯片的位置，所述多功能集成芯片的输出引线布置在所述TEC芯片的左侧，所述多功能集成芯片的输入引线布置在所述TEC芯片的右侧，温度探头的输入引线以及输出引线与TEC芯片的输入引线并排位于TEC芯片下方，TEC芯片的输出引线位于TEC芯片上方。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种集成化单光子探测器组件，其特征在于，还包括散热器，所述基板通过导热垫或导热硅脂安装在散热器上。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111258351A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-06-09 | 国开启科量子技术(北京)有限公司 | 一种单光子探测器tec温度控制方法及其装置 |
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