CN217546053U - 一种多通道时间相关单光子计数器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道时间相关单光子计数器，应用于量子通信技术领域，包括：时钟管理模块、粗时间计数器、TDC模块、数据缓存单元、USB3.0模块，其中，时钟管理模块1包括混合时钟管理器模块与异步复位同步释放模块，TDC模块包括多个220级进位链延迟结构、多个寄存器以及编码单元；通过时钟分相和延时链内插法的使用，在价格较为低廉的情况下满足了量子通信系统多通道、死时间短、时间精度高的要求，测量的时间精度小于100ps；利用USB3.0的接口实现电脑端的数据接收和显示；设备占用场地小，适用于多种环境，同时留下了进一步开发的余地。

Description

一种多通道时间相关单光子计数器

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，更具体的说是涉及一种多通道时间相关单光子计数器。

背景技术

由于量子通信的信息载体为单光子，如何准确的探测并且纪录单光子的到达时间以及如何在通信各方建立高精度的时间同步，对于量子通信来说十分重要。时间测量仪器是量子通信系统中的重要组成部分。

在量子通信系统其他影响因素确定的情况下，时间测量仪器的测量精度的性能直接决定了系统时间精度的好坏。因而也可以说，时间测量的精度直接影响量子密钥分发、量子隐形传态等实验的性能：包括误码率、安全成码率等。此外，因为系统的总精度由时间测量精度，单光子探测器抖动等多种因素共同决定，所以当时间测量精度提高时，可以相应降低实验系统中其他影响因素的精度要求。

目前量子通信系统需要一种时间精度较高，死时间，即可以再次探测单光子的时间间隔小，测量范围大的单光子计数器，同时还要有多个通道以便于数据的大量传输和时间同步问题，最后价格还要较为低廉，而传统的单光子计数器无法同时实现以上技术效果，因此，急需一种多通道时间相关单光子计数器。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种多通道时间相关单光子计数器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多通道时间相关单光子计数器，包括：时钟管理模块、粗时间计数器、TDC模块；

所述时钟管理模块与所述粗时间计数器连接，所述时钟管理模块产生两个相位相反的100M时钟；所述粗时间计数器与所述TDC模块连接，所述粗时间计数器通过所述时钟管理模块产生的100M时钟进行粗时间计数并传输至所述TDC模块；所述TDC模块进行细时间计数并与所述粗时间计数结合输出最终测量时间。

优选的，还包括数据缓存单元，所述数据缓存单元与所述TDC模块连接，所述粗时间计数器与所述数据缓存单元连接，所述数据缓存单元用于缓存最终测量时间。

优选的，还包括USB3.0模块，所述USB3.0模块与所述数据缓存单元连接，将最终测量时间传输至计算机。

优选的，所述时钟管理模块包括混合时钟管理器模块与异步复位同步释放模块，所述混合时钟管理器模块与异步复位同步释放模块连接，所述异步复位同步释放模块与所述粗时间计数器连接，所述混合时钟管理器模块用于产生两个相位相反的100M时钟，所述异步复位同步释放模块用于解决复位问题，避免系统故障。

优选的，所述TDC模块包括：多个220级进位链延迟结构、多个寄存器、编码单元；

所述220级进位链延迟结构与所述寄存器连接，所述寄存器与所述编码单元连接；所述220级进位链延迟结构接收通道脉冲信号并进行细时间计数，所述寄存器保存细时间计数以及粗时间计数，所述编码单元将细时间计数与粗时间计数结合为最终测量时间。

优选的，每个220级进位链延迟结构测量一个通道的脉冲信号。

优选的，所述脉冲信号为单光子探测器产生的TTL信号，TTL信号相隔的时间间隔大于60ns。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种多通道时间相关单光子计数器，具有以下优点：

1、通过时钟分相和延时链内插法的使用，在价格较为低廉的情况下满足了量子通信系统多通道、死时间短、时间精度高的要求，测量的时间精度小于100ps。

2、利用USB3.0的接口实现电脑端的数据接收和显示，上传传输速率大于100MB/s。

3、设备占用场地小，适用于多种环境，同时留下了进一步开发的余地。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的电路连接框图；

图2为本实用新型的时钟管理模块工作原理图；

图3为本实用新型的TDC模块工作原理图；

图中：1时钟管理模块、2粗时间计数器、3TDC模块、4、数据缓存单元、5USB3.0模块、11混合时钟管理器模块、12异步复位同步释放模块、31220级进位链延迟结构、32寄存器、33编码单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，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，所描述的实施例仅仅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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

本实用新型实施例公开了一种多通道时间相关单光子计数器，如图1所示，包括：时钟管理模块1、粗时间计数器2、TDC模块3、数据缓存单元4、USB3.0模块5；

时钟管理模块1与粗时间计数器2连接，时钟管理模块1用于产生两个相位相反的100M时钟，进行粗时间计数，防止脉冲上升沿正好出现在时钟上升沿附近，不满足触发器建立保持时间要求，造成采集失败；粗时间计数器2与TDC模块3连接，粗时间计数器2通过时钟管理模块1产生的100M时钟进行粗时间计数并传输至TDC模块3；TDC模块3接收脉冲、产生细时间计数，并且根据脉冲将细时间计数和粗时间计数进行结合，输出最终测量时间到数据缓存单元4，数据缓存单元4与TDC模块3连接，粗时间计数器2与数据缓存单元4连接，数据缓存单元4用于缓存最终测量时间并将其传输至USB3.0模块5；USB3.0模块5与数据缓存单元4连接，将最终测量时间传输至计算机。

实施例二：

本实用新型实施例公开了一种多通道时间相关单光子计数器，如图1所示，包括：时钟管理模块1、粗时间计数器2、TDC模块3、数据缓存单元4、USB3.0模块5；

时钟管理模块1与粗时间计数器2连接，时钟管理模块1用于产生两个相位相反的100M时钟，进行粗时间计数，防止脉冲上升沿正好出现在时钟上升沿附近，不满足触发器建立保持时间要求，造成采集失败；粗时间计数器2与TDC模块3连接，粗时间计数器2通过时钟管理模块1产生的100M时钟进行粗时间计数并传输至TDC模块3；TDC模块3接收脉冲、产生细时间计数，并且根据脉冲将细时间计数和粗时间计数进行结合，输出最终测量时间到数据缓存单元4，数据缓存单元4与TDC模块3连接，粗时间计数器2与数据缓存单元4连接，数据缓存单元4用于缓存最终测量时间并将其传输至USB3.0模块5；USB3.0模块5与数据缓存单元4连接，将最终测量时间传输至计算机。

如图2所示，时钟管理模块1包括混合时钟管理器模块11与异步复位同步释放模块12；

混合时钟管理器模块11与异步复位同步释放模块12连接，异步复位同步释放模块12与粗时间计数器2连接，混合时钟管理器模块11用于产生两个相位相反的100M时钟，防止所测量的脉冲上升沿刚好出现在某一时钟上升沿附近，造成采集失败，确保采集成功；异步复位同步释放模块12防止亚稳态的出现，解决复位问题，避免系统故障。

如图3所示，TDC模块3包括：多个220级进位链延迟结构31、多个寄存器32、编码单元33，本实施例中TDC模块3包括2个220级进位链延迟结构31和寄存器32；

TDC模块3内部利用220级进位链延迟结构31产生细时间计数，信号通过每一级进位链的时间为细时间精度(即我们最终能达到的时间精度取决于信号通过一小段电路的时间)，最后输出并行的220bit细时间计数；寄存器32在捕获到输入脉冲上升沿时，保存上升沿时刻的粗时间计数和细时间计数，脉冲下降沿时清零所有寄存器32；最后使用编码单元33通过判断在脉冲上升沿来的时刻两个寄存器32保存的细时间计数，细时间计数太小或者太大，则说明脉冲上升沿靠近时钟上升沿，应选取另一个时钟获取的细时间计数；接下来细时间的220种状态应转换为8bit数据并完成和粗时间计数的整合，对数据缓存单元4(FIFO)的读写进行控制，用于数据缓存单元4接收最终的结果。需要注意的是虽然TDC模块越多，就可以采集更多通道的脉冲，但是应该在传输的数据位中预留相应的位置，才能实现多通道的效果，另外硬件的资源也不是无限的，多通道最终要受限于硬件本身的资源。

本实施例中，多通道时间相关单光子计数器接收的脉冲信号为单光子探测器或其他设备产生的TTL信号，信号间隔时间应大于60ns。本实施例中的多通道时间相关单光子计数器的时间精度小于100ps。影响时间精度的主要因素有两个：一个是FPGA的工作温度和内核电压，延迟链的的延迟会随着时间和温度发生相应的变化；一个是进位链(延迟链)本身延迟单元的不一致性和相应的时钟网络的分布偏差，也就是会有个别延迟单元的延迟时间会超出平均延迟时间很多。如需进一步提高精度的话，可以对每一个进位链(延迟链)本身延迟单元进行测量或者专门设计，使用准确的时间精度，而不是用平均的延迟单元的时间精度用以计算，减少精度的误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，包括：时钟管理模块(1)、粗时间计数器(2)、TDC模块(3)；

所述时钟管理模块(1)与所述粗时间计数器(2)连接，所述时钟管理模块(1)产生两个相位相反的100M时钟；所述粗时间计数器(2)与所述TDC模块(3)连接，所述粗时间计数器(2)通过所述时钟管理模块(1)产生的100M时钟进行粗时间计数并传输至所述TDC模块(3)；所述TDC模块(3)进行细时间计数并与所述粗时间计数结合输出最终测量时间。

2.根据权利要求1所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，还包括数据缓存单元(4)，所述数据缓存单元(4)与所述TDC模块(3)连接，所述粗时间计数器(2)与所述数据缓存单元(4)连接，所述数据缓存单元(4)用于缓存最终测量时间。

3.根据权利要求2所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，还包括USB3.0模块(5)，所述USB3.0模块(5)与所述数据缓存单元(4)连接，将最终测量时间传输至计算机。

4.根据权利要求1所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，所述时钟管理模块(1)包括混合时钟管理器模块(11)与异步复位同步释放模块(12)，所述混合时钟管理器模块(11)与异步复位同步释放模块(12)连接，所述异步复位同步释放模块(12)与所述粗时间计数器(2)连接，所述混合时钟管理器模块(11)用于产生两个相位相反的100M时钟，所述异步复位同步释放模块(12)用于解决复位问题，避免系统故障。

5.根据权利要求1所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，所述TDC模块(3)包括：多个220级进位链延迟结构(31)、多个寄存器(32)、编码单元(33)；

所述220级进位链延迟结构(31)与所述寄存器(32)连接，所述寄存器(32)与所述编码单元(33)连接；所述220级进位链延迟结构(31)接收通道脉冲信号并进行细时间计数，所述寄存器(32)保存细时间计数以及粗时间计数，所述编码单元(33)将细时间计数与粗时间计数结合为最终测量时间。

6.根据权利要求5所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，每个220级进位链延迟结构(31)测量一个通道的脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的一种多通道时间相关单光子计数器，其特征在于，所述脉冲信号为单光子探测器产生的TTL信号，TTL信号相隔的时间间隔大于60ns。

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