CN211554222U

CN211554222U - 一种单光子雪崩光电二极管标定系统

Info

Publication number: CN211554222U
Application number: CN201922460980.4U
Authority: CN
Inventors: 蒋连军; 马睿; 唐世彪; 王泉; 刘酩
Original assignee: Quantumctek Co Ltd
Current assignee: Quantumctek Co Ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2029-12-31

Abstract

本实用新型的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，涉及量子通信领域，解决如何准确自动测试SPAD关键参数的问题；所述的标定系统包括：SPAD标定系统控制板、皮秒脉冲激光器、可调光衰减器、SPAD安装板；所述的SPAD标定系统控制板与皮秒脉冲激光器连接；所述的皮秒脉冲激光器与可调光衰减器连接；所述的待测SPAD安装在所述SPAD安装板上，所述的可调光衰减器与待测SPAD连接；所述SPAD安装板与SPAD标定系统控制板相连接；本实用新型的优点在于：可以在较短时间内完成对待测SPAD多个性能参数的测试，高效便捷，操作简单，易于学习。

Description

一种单光子雪崩光电二极管标定系统

技术领域

本实用新型涉及量子通信领域，尤其涉及一种单光子雪崩光电二极管标定系统。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)是量子通信领域的关键共性器件，量子通信向更高速率、更远距离发展，直接依赖于该核心技术的持续进步。SPAD的性能由探测效率、暗计数率、后脉冲等关键参数综合决定，这些关键参数之间往往相互影响，相互制约。因此SPAD的关键参数测量是一个系统性工作，只有全面测量相关联的参数，才能反映SPAD的真实性能。同时，研究单光子雪崩光电二极管的最佳工作电压、暗电流等工作特性，对于提升单光子探测器性能有着显著意义。在实际应用中，测量工作大多使用分立器件及分离仪表，如：函数发生器、计数器、短脉冲产生器、高压源及源表等通用测试仪器，由专业人员操作完成。国内深圳、广东等地公司研制有针对雪崩光电二极管最佳工作电压、温度系数等特性的测试装置。此外，中科院半导体研究所研制的SPAD自动标定系统，可以分别测量SPAD的暗电流和击穿电压，标定过程复杂且无法对SPAD的其他单光子探测性能进行标定。

综上，采用分离仪表测试的测试方法不仅耗时耗力，并且稳定性、可重复性不佳，易受人为及外界因素影响。而且单一设备只能测量SPAD的某一项参数，并不适合高效稳定的SPAD标定。同时，使用分离仪表测试设备连接复杂，占用空间大，不符合现今测试系统小型化、集成化的发展趋势，且不方便携带。

目前还没有针对SPAD管子的高效便捷的标定系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够简化SPAD管子的标定过程的标定系统。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

一种单光子雪崩光电二极管标定系统，包括：待测SPAD、SPAD标定系统控制板、皮秒脉冲激光器、可调光衰减器、SPAD安装板；所述的SPAD标定系统控制板与皮秒脉冲激光器连接；所述的皮秒脉冲激光器与可调光衰减器连接；所述的待测SPAD安装在所述SPAD安装板上，所述的可调光衰减器与待测SPAD连接；所述SPAD安装板与SPAD标定系统控制板相连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的皮秒脉冲激光器通过光纤与可调光衰减器连接；所述的可调光衰减器通过光纤连接到待测SPAD。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述SPAD标定系统控制板通过SMA连接线与皮秒脉冲激光器连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的SPAD安装板设置有门控信号接口，所述的门控信号接口通过SMA连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的SPAD安装板设置有雪崩信号接口，所述的雪崩信号接口通过SMA连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的SPAD安装板设置有偏压信号接口，偏压信号接口通过九针连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的SPAD标定系统控制板包括：偏流检测装置、偏压控制装置、门控信号控制装置、门宽调节装置、符合门控制装置、雪崩信号甄别提取装置、光源驱动装置、控制板温度检测装置；所述的偏流检测装置、偏压控制装置分别与SPAD控制板连接；所述的门控信号控制装置与门宽调节装置连接，所述的门宽调节装置与SPAD控制板连接；所述的符合门控制装置与雪崩信号甄别提取装置连接，所述的雪崩信号甄别提取装置与SPAD控制板连接；所述的光源驱动装置与所述的皮秒脉冲激光器连接；所述的控制板温度检测装置与SPAD控制板连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的门宽调节装置将宽脉冲的门控信号调整为窄脉冲的门控信号，并将调整后的门控信号发送到SPAD安装板，施加在待测SPAD上。

本实用新型的优点在于：

1.与传统的分离器件式测试系统相比，本申请提出的SPAD标定系统进行了集成，能够完成对待测SPAD多个性能参数的测试，且操作高效便捷，简单，易于学习，降低了对测试人员专业水平的要求，且占用空间与设备连线大大缩减。

2.与国内各公司及高校实验室研制的SPAD标定设备相比，本提案是针对单光子雪崩光电二极管的多种关键性能参数进行测试，保障了产品可靠性，测试性能更加稳定，不仅限于实验室教学，可用于公司生产过程中SPAD器件入厂检测，提供数据作为单光子探测器研制参考。

3.本设备将光源驱动信号产生，门控信号产生，门控信号调节，雪崩信号甄别提取，雪崩信号整形，偏压配置，偏流检测，控制板温度检测等功能集成在了SPAD标定系统控制板上，通过电路设计配合可编程逻辑器件控制，实现对SPAD工作电压特性的检测，暗电流的检测，以及探测效率、暗计数、后脉冲等性能参数的检测。

4.通过雪崩信号甄别提取，并且经过脉冲展宽，幅值放大，使其成为能够被FPGA识别的信号，极大地保证了雪崩信号的输出质量，减少了数据丢失的可能性。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的一种单光子雪崩光电二极管标定系统的结构图；

图2是本实用新型实施例一的一种单光子雪崩光电二极管标定系统的SPAD标定系统控制板的组成结构图；

图3是本实用新型实施例二的一种单光子雪崩光电二极管标定系统的结构图；

图4是本实用新型实施例三的一种单光子雪崩光电二极管标定系统的结构图；

图5是本实用新型实施例二的一种单光子雪崩光电二极管标定系统的SPAD标定系统控制板的组成结构图；

图6是本实用新型实施例的使用单光子雪崩光电二极管标定系统的步骤的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种单光子雪崩光电二极管标定系统，包括：待测SPAD、SPAD标定系统控制板、皮秒脉冲激光器、可调光衰减器、SPAD安装板；所述的SPAD标定系统控制板与皮秒脉冲激光器连接；所述的皮秒脉冲激光器与可调光衰减器连接；所述的待测SPAD安装在所述SPAD安装板上，所述的可调光衰减器与待测SPAD连接；所述SPAD安装板与SPAD标定系统控制板相连接。

所述SPAD标定系统控制板通过SMA连接线与皮秒脉冲激光器连接，所述的SPAD标定系统控制板产生光源驱动信号送入皮秒脉冲激光器。

所述的皮秒脉冲激光器作为标定光源，通过光纤与可调光衰减器连接，皮秒脉冲激光器输出光脉冲至可调光衰减器。

所述的可调光衰减器通过光纤连接到待测SPAD，所述的可调光衰减器对接收到的光脉冲进行衰减，输出单光子水平脉冲光信号到待测SPAD。

所述的单光子水平脉冲光信号是指，每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值；例如，若每脉冲平均光子数的设定值为0.1，则需调节可调光衰减器，使光脉冲衰减成平均0.1光子/脉冲的强度后，再输出到待测SPAD。

所述待测SPAD安装在SPAD安装板上。所述的SPAD安装板设置有门控信号、偏压信号、雪崩信号接口，其中门控信号接口、雪崩信号接口通过SMA连接线与SPAD标定系统控制板相连接，偏压信号接口通过九针连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

所述单光子雪崩光电二极管标定系统的工作过程为：所述皮秒脉冲激光器接收来自SPAD标定系统控制板的光驱动信号，产生皮秒量级宽度的光脉冲送入可调光衰减器，可调光衰减器将输出的光脉冲衰减至每脉冲平均光子数为单光子水平脉冲光信号，使得最终输入待测SPAD的光脉冲宽度﹤200ps，每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值；单光子水平脉冲光信号送入安装在SPAD安装板上的待测SPAD；所述SPAD安装板输出待测SPAD产生的雪崩信号到SPAD标定系统控制板，SPAD标定系统控制板产生偏压信号、门控信号延时及脉宽等测试参数，下达测试指令，完成门控微分信号扫描，延时扫描操作，并进行一键测试，处理测试数据，生成测试结果。

如图2所示，所述的SPAD标定系统控制板包括：偏流检测装置、偏压控制装置、门控信号控制装置、门宽调节装置、符合门控制装置、雪崩信号甄别提取装置、光源驱动装置、控制板温度检测装置；所述的偏流检测装置、偏压控制装置分别与SPAD控制板连接；所述的门控信号控制装置与门宽调节装置连接，所述的门宽调节装置与SPAD控制板连接；所述的符合门控制装置与雪崩信号甄别提取装置连接，所述的雪崩信号甄别提取装置与SPAD控制板连接；所述的光源驱动装置与所述的皮秒脉冲激光器连接；所述的控制板温度检测装置与SPAD控制板连接。

所述的偏流检测装置将流经偏压信号的电流进行采样，用于检测待测SPAD上的雪崩电流，作为强光攻击异常的判断依据，当无光照输入的情况下，即为待测SPAD的暗电流。

所述的偏压控制装置为待测SPAD提供反向电压，输出偏压信号。

所述的门控信号控制装置与门宽调节装置连接，所述的门控信号控制装置产生门控信号，并根据设定的门控延时值对门控信号进行相应的延时，将延时后的门控信号发送给门宽调节装置。

所述的门宽调节装置将宽脉冲的门控信号调整为窄脉冲的门控信号，并将调整后的门控信号发送到SPAD安装板，施加在待测SPAD上。调整后的门控信号触发脉冲宽度＜5ns，电压幅值5V～7V。

所述的雪崩信号甄别提取装置接收待测SPAD产生的雪崩信号，通过设置雪崩信号甄别阈值将雪崩信号与噪声信号分离，并通过脉冲展宽、幅值放大，将其转换为符合LVTTL电平标准的电脉冲信号。

所述的符合门控制装置调节符合门控信号的延时与宽度，使符合门控信号宽度大于雪崩信号甄别提取装置输出的脉冲信号宽度，并根据配置产生正反两路符合门，分别测试不同延时位置时的符合计数。

所述的光源驱动装置产生可调驱动信号，驱动皮秒脉冲激光器发光。作为一个具体的例子，所述可调驱动信号频率为1KHz～10MHz。所述的光源驱动装置产生的驱动信号与门控信号均由系统自带时钟信号产生，并通过延时处理，保障二者始终处于同一相位。

所述的控制板温度检测装置实时监测上报电路板的温度，用于监控系统是否发热异常，进行故障预警。

如图6所示，使用上述标定系统对单光子雪崩光电二极管标定的步骤如下：

步骤一：连接测试设备；

步骤二：制冷、上电、预热；

步骤三：输出光脉冲；

步骤四：输出光强调节；

步骤五：进行门控微分信号扫描；

步骤六：待测SPAD产生雪崩信号；

步骤七：进行延时扫描；

步骤八：调整偏压配置值，进行一键测试。

所述的步骤一具体为：

建立SPAD标定系统控制板、皮秒脉冲激光器、可调光衰减器、SPAD安装板、待测SPAD之间的硬件连接。

所述的步骤二具体为：启动制冷装置使待测SPAD工作温度达到规定值，同时给SPAD标定系统控制板及皮秒脉冲激光器上电，预热到规定时间，预热时间不低于15min。

所述的步骤三具体为：SPAD标定系统控制板上的光源驱动装置输出驱动脉冲，驱动皮秒脉冲激光器输出光脉冲。光脉冲频率为1KHz～10MHz可调，脉冲宽度T_p﹤200ps。

所述的步骤四具体为：皮秒脉冲激光器输出光脉冲送入可调光衰减器，调节可调光衰减器，通过光功率计测试出口光强，使可调光衰减器输出光强为每脉冲平均光子数的设定值(例如，平均每脉冲1光子的水平)，即输出单光子水平脉冲光信号。

以输出光强频率100KHz为例，皮秒脉冲激光器出射波长为1550nm，则波长λ＝1550nm的单光子对应的能量E_p＝hc/λ＝1.27×10^-19J。对应平均每脉冲一个光子的平均功率P＝hc*f/λ＝108.96dBm，其中h为普朗克常数，c为光速，f为光强频率。

所述的步骤五具体为：将可调光衰减器输出的单光子水平脉冲光信号接入待测SPAD，关闭光源驱动装置，停止输入驱动信号至皮秒脉冲激光器，配置待测SPAD两侧偏压为40V，确认好校准区间和延时区间，进行门控微分信号扫描，更新符合门延时、符合门宽度、雪崩信号甄别阈值等参数。

所述的步骤六具体为：配置SPAD偏压至待测SPAD正常工作范围，使待测SPAD产生雪崩信号。SPAD在同时满足偏压、温度、光信号输入、门控信号输入的条件下，可产生雪崩脉冲信号。

所述的步骤七具体为：设置延时扫描参教，确认延时区间，进行延时扫描；得到延时扫描延时位置、峰值以及半高宽。

所述的步骤八具体为：调整待测SPAD两侧偏压，通过调整偏压配置值，得到其工作电压特性；平均光子数的设置应符合实际标定条件，待测SPAD入口光强为-108.96dBm，此时平均光子数应设置为1，进行一键测试，得到待测SPAD探测效率、暗计数、后脉冲等关键性能参数。

上述完整测试过程自动完成，可以在几分钟内完成对待测SPAD多个性能参数的测试，高效便捷。

实施例二

如图3所示，与实施例一的区别在于，所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统还包括上位机，所述的上位机通过串口与所述的SPAD标定系统控制板连接。

如图5所示，所述的上位机控制SPAD标定系统控制板，设置偏压信号、门控信号延时及脉宽等测试参数，下达测试指令，完成门控微分信号扫描，延时扫描操作，并进行一键测试，处理测试数据，生成测试结果。

实施例三

如图4所示，与实施例二的区别在于，所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统还包括温箱。

所述的SPAD安装板设置于温箱中，温箱保持在低温状态，所述低温状态为零下40至零下50摄氏度。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，包括：待测SPAD、SPAD标定系统控制板、皮秒脉冲激光器、可调光衰减器、SPAD安装板；所述的SPAD标定系统控制板与皮秒脉冲激光器连接；所述的皮秒脉冲激光器与可调光衰减器连接；所述的待测SPAD安装在所述SPAD安装板上，所述的可调光衰减器与待测SPAD连接；所述SPAD安装板与SPAD标定系统控制板相连接。

2.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的皮秒脉冲激光器通过光纤与可调光衰减器连接；所述的可调光衰减器通过光纤连接到待测SPAD。

3.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述SPAD标定系统控制板通过SMA连接线与皮秒脉冲激光器连接。

4.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的SPAD安装板设置有门控信号接口，所述的门控信号接口通过SMA连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

5.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的SPAD安装板设置有雪崩信号接口，所述的雪崩信号接口通过SMA连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

6.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的SPAD安装板设置有偏压信号接口，偏压信号接口通过九针连接线与SPAD标定系统控制板相连接。

7.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的SPAD标定系统控制板包括：偏流检测装置、偏压控制装置、门控信号控制装置、门宽调节装置、符合门控制装置、雪崩信号甄别提取装置、光源驱动装置、控制板温度检测装置；所述的偏流检测装置、偏压控制装置分别与SPAD控制板连接；所述的门控信号控制装置与门宽调节装置连接，所述的门宽调节装置与SPAD控制板连接；所述的符合门控制装置与雪崩信号甄别提取装置连接，所述的雪崩信号甄别提取装置与SPAD控制板连接；所述的光源驱动装置与所述的皮秒脉冲激光器连接；所述的控制板温度检测装置与SPAD控制板连接。

8.根据权利要求7所述的一种单光子雪崩光电二极管标定系统，其特征在于，所述的门宽调节装置将宽脉冲的门控信号调整为窄脉冲的门控信号，并将调整后的门控信号发送到SPAD安装板，施加在待测SPAD上。