RU196655U1 - Детектор одиночных фотонов - Google Patents
Детектор одиночных фотонов Download PDFInfo
- Publication number
- RU196655U1 RU196655U1 RU2019140901U RU2019140901U RU196655U1 RU 196655 U1 RU196655 U1 RU 196655U1 RU 2019140901 U RU2019140901 U RU 2019140901U RU 2019140901 U RU2019140901 U RU 2019140901U RU 196655 U1 RU196655 U1 RU 196655U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- avalanche photodiode
- board
- cooling circuit
- controller
- photodiode
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 InGaAs Chemical class 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области измерительной техники и касается детектора одиночных фотонов. Детектор включает в себя корпус, в котором установлены сигнальная плата, плата контроллера, охлаждающий контур и лавинный фотодиод, расположенный на гибкой плате. Плата контроллера содержит генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени. Плата контроллера содержит регулятор температуры и систему управления. Охлаждающий контур содержит датчик температуры и термоэлектрический преобразователь. Гибкая плата расположена внутри охлаждающего контура и содержит по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода. Технический результат заключается в снижении вероятности шумового срабатывания и повышение квантовой эффективности устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ), применяемом в области квантовой криптографии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Наиболее широкую известность в данной области техники имеют ДОФ производства фирмы ID Quantique. ДОФ серии ID210 предназначен для работы в ближнем инфракрасном свете в стробированном режиме (https://www.idquantique.com/single-photon-systems/products/id210/). Модель ДОФ ID210-SMF-C при частоте стробирования 100 МГц имеет темновой счет 6 Гц при 10% эффективности детектирования и 30 Гц при 25%.
[0003] Известны также ДОФ производства компании Princeton Lightwave PGA-600 (http://www.comstarcom.com/en/products show.asp?proid=183), которые имеют частоту темнового счета 100 Гц при 20% эффективности детектирования. При этом данная величина соответствует 20 МГц частоте стробирования, что не позволяет использовать PGA-600 для работы на больших частотах. Данный ДОФ можно принять в качестве прототипа заявленного решения.
[0004] В общем случае представленные из уровня техники решения содержат установленный в корпусе лавинный фотодиод для обеспечения работы ДОФ.
[0005] Основным существенным недостатком известных решений является их массогабаритные размеры, а также эффективность их работы. Массогабаритные размеры известных ДОФ не позволяют применять их в стандартных стойках оборудования для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей.
[0006] Сверхпроводниковые ДОФ, как правило, требуют специальной аппаратуры и ее регулярного обслуживания. В частности, требуют сервисного обслуживания турбомолекулярный и форвакуумный насосы, используемые для вакуумирования объема, в котором располагается рабочее тело сверхпроводника на основе NbN. По габаритам такая аппаратура превосходит размеры стандартной телекоммуникационной стойки или шкафа. Согласно имеющейся информации, как в России, так и за рубежом отсутствуют регулярно эксплуатируемые квантовые линии связи со сверхпроводниковыми детекторами, т.к. поддержание такой инфраструктуры сопряжено с существенными затратами.
[0007] Согласно исследовательским испытаниям разработанный детектор при тех же условиях проведения испытаний имеет темновой счет 5 Гц при 10% эффективности и 30 Гц при 25% эффективности.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[0008] Заявленный ДОФ разрабатывается на основе полупроводникового прибора, а именно, лавинного фотодиода, что позволяет разработать и внедрить новую технологию квантового распределения ключа для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей, которая также обеспечивает компактность конечного устройства с обеспечением требуемой эффективности его функционирования. Заявленное устройство предназначено для установки в обычную стойку или шкаф для размещения стандартного телекоммуникационного оборудования. При этом ДОФ на основе лавинного фотодиода не требует сервисного обслуживания и для своей работы не требует специальных квалификаций у операторов, что упрощает его эксплуатацию и последующее сервисное обслуживание.
[0009] Заявленное решение обеспечивает решение технической проблемы, заключающейся в создании ДОФ с уменьшенными массогабаритными размерами с обеспечением эффективной работы.
[0010] Техническим результатом является снижение вероятности шумового срабатывания и повышение квантовой эффективности.
[0011] Заявленная конструкция ДОФ содержит корпус, в котором установлены:
сигнальная плата, содержащая генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени;
плата контроллера, содержащая регулятор температуры и систему управления; охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь;
гибкая плата, расположенная внутри охлаждающего контура и содержащая лавинный фотодиод и по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода.
[0012] В одном из примеров реализации устройства лавинный фотодиод выполнен из соединения, выбираемого из группы: InGaAs, InAlAs, или Si.
[0013] В другом примере реализации устройства фотодиод содержит подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP.
[0014] В другом примере реализации устройства сигнальная плата дополнительно содержит по меньшей мере один фильтрующий каскад.
[0015] В другом примере реализации устройства термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере один элемент Пельтье.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного ДОФ. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
[0017] Как представлено на Фиг. 1 заявленный ДОФ (10) содержит корпус-радиатор (100), внутри которого установлены сигнальная плата (110), плата контроллера (120), охлаждающий контур (130) и гибкая плата (140). Корпус-радиатор (100) обеспечивает целостность конструкции, а также тепловой режим работы детектора (10). На нем расположены все необходимые разъемы ввода-вывода сигналов, как оптических, так и электрических. В качестве разъемов могут использоваться: разъем питания, разъемы для подключения вентиляторов, также в корпусе (100) сделаны отверстия под вывод этих разъемов для обеспечения внешнего подключения. Непосредственно на крышке корпуса (100) вмонтирован оптический разъем FC-FC.
[0018] В сигнальную плату (ПО) заложен основной функционал, при этом на ней располагаются генератор строба (111), источник напряжения смещения лавинного фотодиода (112), вход для гибкой платы вывода диода, усилительные каскады для получения лавинного отклика диода приемлемой амплитуды (143), формирователь выходного импульса (113), формирующий калиброванный счетный сигнал нужного логического уровня и длительности, и формирователь мертвого времени (114). Сигнальная плата дополнительно может содержать по меньшей мере один фильтрующий каскад (142), обеспечивающий уменьшения влияния паразитных гармоник строба на полезный сигнал лавинного отклика.
[0019] Плата контроллера (120) обеспечивает возможность внешнего управления и контроль таких параметров работы ДОФ, как: температура, напряжение смещения, амплитуда сигнала стробирования и параметры работы системы охлаждения (температура стабилизации, коэффициенты PID-регулятора, условия включения аварийных режимов). Например, напряжение смещения 70 В, амплитуда сигнала стробирования 6 В пик-пик, температура лавинного фотодиода -45 градусов Цельсия. Внешнее управление обеспечивается с помощью интерфейса USB при подключении к внешнему вычислительному устройству, например, компьютеру.
[0020] Охлаждающий контур (130) предназначен для обеспечения лавинному фотодиоду (141) оптимального режима работы с точки зрения вероятности шумовых срабатываний. Охлаждающий контур (130) содержит датчик температуры (131) и термоэлектрический преобразователь (132), выполненный в виде одного или нескольких элементов Пельтье. Датчик температуры (131) может выполняться в виде платинового терморезистора.
[0021] Охлаждающий контур (130) может выполняться из пенопластового короба, в который помещается фотодиод (141) в специальном медном держателе, и термоэлектрический преобразователь (132). Контур (130) зафиксирован на корпусе-радиаторе (100) для обеспечения отвода тепла от термоэлектрического преобразователя (132).
[0022] Гибкая плата (140) расположена внутри охлаждающего контура (130), содержит установленный на ней лавинный фотодиод (141) и предназначена для уменьшения тепловых потерь, неизбежных при сообщении лавинного фотодиода (141) с внешней средой посредством его контакта с сигнальной платой (110). Лавинный фотодиод (141) может выполняться на основании известных технологий, например, из таких соединений, как: InGaAs, InAlAs, или Si. Также, фотодиод (141) может содержать подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP.
[0023] Наличие гибкой платы (140) позволяет избежать непосредственного контакта ножек фотодиода (141) и датчика температуры (131) с внешней средой, что сильно улучшает производительность контура (130) и позволяет избежать образования конденсата на ножках фотодиода (141) и увеличивает достоверность измерения температуры внутри охлаждающего контура (130). При этом гибкая плата (140) может содержать один или несколько каскадов (143) усиления сигнала фотодиода (141), что позволяет сократить влияние помех и временное разрешение, что положительно влияет на снижение шумового срабатывания ДОФ (10). Вследствие установки усилительного каскада на гибкую плату (140) в непосредственной близости от диода (141) получается хороший параметр временного разрешения детектора.
[0024] Элементы ДОФ (10) установлены в корпусе (100) с обеспечением конструктивно-функционального единства и соединяются посредством различного спектра стандартизованных сборочных операций, в частности, с помощью спайки, сварки, склепки, сочленения, и иного вида конструктивной фиксации элементов, пригодными для использования в данной области техники.
[0025] ДОФ (10) работает следующим образом. Источник напряжения смещения (112) формирует постоянное напряжение смещения лавинного фотодиода (141) для обеспечения возможности формирования лавинного фототока. Генератор стробов (111) формирует гармонический сигнал, синхронный по отношению к сигналу внешней синхронизации, для обеспечения чувствительности лавинного фотодиода (141) только в окрестностях максимума сигнала стробирования и нечувствительности в течение остального времени. Это достигается поддержанием напряжения смещения, амплитуды сигнала стробирования и температуры лавинного фотодиода (141) стабильными.
[0026] Регулятор температуры (122) обеспечивает поддержание постоянной температуры за счет управления напряжением на термоэлектрическом преобразователе (132) и измерением температуры фотодиода (141) с помощью датчика (131).
[0027] Внешний сигнал в виде одиночного фотона требуемого спектрального диапазона поступает на вход детектора (10) по оптоволоконной линии связи. Попадая в активную зону лавинного фотодиода (141), фотон поглощается и вызывает протекание лавинного фототока через фотодиод (141). Вследствие протекания фототока на нагрузочном резисторе формируется импульс напряжения, который усиливается до уровня единиц вольт, отфильтровывается от сигнала стробирования с помощью фильтра (142) и попадает на формирователь выходного импульса (113) и формирователь мертвого времени (114).
[0028] Формирователь выходного импульса (113) обеспечивает формирование импульса длительностью 85 нс и амплитудой 3 В, на нагрузке 50 Ом. Этот импульс передается во внешнюю аппаратуру для дальнейшей обработки, через соответствующий вывод детектор (10). Формирователь мертвого времени (114) выполняет временное уменьшение напряжение смещения фотодетектора на заданный временной интервал (например, 3, 5, 6 мкс и т.п.), тем самым, исключая любые срабатывания лавинного фотодиода (141) в течение мертвого времени. Такой режим управления исключает формирование послеимпульсов. Послеимпульсы являются шумовыми срабатываниями, вероятность которых резко увеличивается в течение некоторого времени после срабатывания фотодиода (141). Заявленный ДОФ (10) выполняется стробируемым с частотой 312,5 МГц и предназначен для регистрации одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона.
[0029] Основные технические характеристики заявленного ДОФ (10) представлены в Таблице 1.
Claims (9)
1. Детектор одиночных фотонов, содержащий корпус с установленным внутри лавинным фотодиодом, отличающийся тем, что в корпусе установлены:
сигнальная плата, содержащая генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени;
плата контроллера, содержащая регулятор температуры и систему управления;
охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь;
лавинный фотодиод, расположенный на гибкой плате, причем гибкая плата расположена внутри охлаждающего контура и содержит по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода.
2. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что лавинный фотодиод выполнен из соединения, выбираемого из группы: InGaAs, InAlAs, или Si.
3. Детектор по п. 2, характеризующийся тем, что фотодиод содержит подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP.
4. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что сигнальная плата дополнительно содержит по меньшей мере один фильтрующий каскад.
5. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере один элемент Пельтье.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019140901U RU196655U1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Детектор одиночных фотонов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019140901U RU196655U1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Детектор одиночных фотонов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU196655U1 true RU196655U1 (ru) | 2020-03-11 |
Family
ID=69897871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019140901U RU196655U1 (ru) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | Детектор одиночных фотонов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU196655U1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115101601A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-23 | 中国电子科技集团公司第四十三研究所 | 一种单光子探测器封装结构 |
| RU2813121C1 (ru) * | 2023-07-06 | 2024-02-06 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" | Многоканальный детектор одиночных фотонов |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014118537A2 (en) * | 2013-01-31 | 2014-08-07 | Malvern Instruments Limited | Single photon counting |
| CN107271058A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法 |
| US20190137636A1 (en) * | 2009-03-06 | 2019-05-09 | Koninklijke Philips N.V. | Advanced temperature compensation and control circuit for single photon counters |
-
2019
- 2019-12-11 RU RU2019140901U patent/RU196655U1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190137636A1 (en) * | 2009-03-06 | 2019-05-09 | Koninklijke Philips N.V. | Advanced temperature compensation and control circuit for single photon counters |
| WO2014118537A2 (en) * | 2013-01-31 | 2014-08-07 | Malvern Instruments Limited | Single photon counting |
| CN107271058A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-10-20 | 浙江九州量子信息技术股份有限公司 | 一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| В.Л. Курочкин и др. "Экспериментальная установка для квантовой криптографии с одиночными поляризованными фотонами", ЖУРНАЛ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, том 75, вып. 6, 2005 г., стр. 54-58. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115101601A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-23 | 中国电子科技集团公司第四十三研究所 | 一种单光子探测器封装结构 |
| CN115101601B (zh) * | 2022-07-26 | 2024-04-09 | 中国电子科技集团公司第四十三研究所 | 一种单光子探测器封装结构 |
| RU2813121C1 (ru) * | 2023-07-06 | 2024-02-06 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" | Многоканальный детектор одиночных фотонов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU196655U1 (ru) | Детектор одиночных фотонов | |
| CN205091068U (zh) | 分布式光纤测温系统 | |
| CN106197951B (zh) | 一种有源光纤光子暗化测试的电路系统 | |
| CN108303182A (zh) | 一种红外成像温度监控系统 | |
| CN115452145A (zh) | 一种单光子探测器的测试装置 | |
| CN104614091B (zh) | 全光纤长距离高空间分辨率单光子温度传感器 | |
| CN208282862U (zh) | 一种辐射巡测探头和辐射测量仪 | |
| CN110568216A (zh) | 同质集成光电子装置 | |
| US5142142A (en) | Portable device for detecting short duration energy pulses | |
| WO2021118411A1 (ru) | Детектор одиночных фотонов | |
| CN113514786A (zh) | 基于金刚石中固态自旋的集成化传感器 | |
| CN105092087A (zh) | 光电转换模块及其温度补偿方法以及分布式光线传感系统 | |
| CN209689740U (zh) | 一种分布式光纤测振系统 | |
| CN107576419A (zh) | 一种光纤测温装置及方法 | |
| CN114383640A (zh) | 一种分布式光纤布拉格光栅传感器测控系统 | |
| Sidhu et al. | Protection of power system apparatus against arcing faults | |
| CN210243814U (zh) | 具有数据远传功能的cpt原子磁力仪 | |
| CN220419833U (zh) | 一种具有信号检测的高功率激光器 | |
| FR2685968A1 (fr) | Dispositif de transmission de signaux physiologiques. | |
| CN217059271U (zh) | 一种发光二极管模组的分光检测装置 | |
| CN208013477U (zh) | 一种分布式光纤测温预警管形母线及监测系统 | |
| CN108426652A (zh) | 基于光纤拉曼散射的点式温度传感装置及系统 | |
| CN210272354U (zh) | 一种集成滤波放大芯片的雪崩光电探测器 | |
| CN104934852B (zh) | 激光器降噪设备及采用该设备降噪的方法 | |
| CN218679078U (zh) | 光电复合模块测试装置 |