專利名稱：高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，實(shí)現(xiàn)了將單光子檢測器計(jì)數(shù)率從幾百千提高到幾兆，屬量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在量子保密通信中，信息通過加載在單個(gè)光子上進(jìn)行傳輸，雪崩二極管(APD)是單光子的檢測器件。單光子檢測器的性能是決定量子保密通信的作用距離、誤差率等指標(biāo)的關(guān)鍵。圖1示出了一種已有的單光子檢測器電路，雪崩二極管2以反向的蓋革模式，即直流電源1的輸出電壓Va大于雪崩二極管2的雪崩電壓Vlatch工作，限流電阻3、輸出電阻4和雪崩二極管2以串聯(lián)方式連接，雪崩輸出信號，即脈沖(A)從輸出電阻4上取出，輸入信號處理電路8的輸入端80，經(jīng)信號處理電路8緩沖、放大、整形后，經(jīng)輸出端81以標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號形式從插口6輸出，作為后續(xù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號，即脈沖(B)。這種單光子檢測器電路的缺點(diǎn)是單光子探測所產(chǎn)生的相鄰雪崩信號之間的最短時(shí)間間隔太長，即雪崩二極管2兩次雪崩之間的恢復(fù)時(shí)間(死時(shí)間)太長，導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)間內(nèi)單光子信號的丟失，計(jì)數(shù)率降低，檢測器的性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是推出一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案使上述技術(shù)問題得到解決。
在已有的單光子檢測器的電路內(nèi)，增添由電子開關(guān)和控制電路組成的主動(dòng)快速恢復(fù)電路，電子開關(guān)跨接在雪崩二極管2的陽極與地線之間，控制電路控制電子開關(guān)的啟閉。單光子到來前，雪崩二極管2處于等待狀態(tài)時(shí)，雪崩二極管2的結(jié)電容和分布電容5的端電壓分別為Va和0伏。雪崩二極管2探測到單光子時(shí)，發(fā)生雪崩，雪崩二極管2的結(jié)電容和分布電容5的端電壓分別變?yōu)閂latch和Va-Vlatch。控制電路輸出正脈沖，令電子開關(guān)導(dǎo)通，雪崩二極管2的結(jié)電容和分布電容5通過小阻值的電子開關(guān)分別快速充電至Va和放電至0伏?？刂齐娐份敵龅恼}沖終止，令電子開關(guān)斷路，雪崩二極管2恢復(fù)與限流電阻3接通，進(jìn)入等待狀態(tài)，等待檢測下一個(gè)單光子。電子開關(guān)和控制電路的主動(dòng)快恢復(fù)功能大大縮短了單光子檢測器電路的恢復(fù)時(shí)間，確保單光子檢測器具有高計(jì)數(shù)率性能。
現(xiàn)結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的電路和工作原理。
一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，含直流電源1、雪崩二極管2、限流電阻3、輸出電阻4、分布電容5、信號處理電路8、插口6，限流電阻3、輸出電阻4和雪崩二極管2串聯(lián)后跨接在直流電源1的Va和地線之間，分布電容5跨接在雪崩二極管2的陽極和地線之間，輸出電阻4的上端與信號處理電路8的輸入端80連接，插口6跨接在信號處理電路8的輸出端81和地線之間，其特征在于，它還包含電子開關(guān)7和控制電路9，電子開關(guān)7由電阻72、73，可調(diào)電阻74，穩(wěn)壓二極管71和晶體管70組成，穩(wěn)壓二極管71與電阻72并聯(lián)后跨接在晶體管70的發(fā)射極和地線之間，電阻73跨接在晶體管70的基極和地線之間，晶體管70的集電極與雪崩二極管2的陽極連接，控制電路9由級連的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90、91組成，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90的輸入端901與信號處理電路8的輸出端81連接，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90的輸出端904與單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器91的輸入端911連接，可調(diào)電阻74跨接在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器91的輸出端914和晶體管70的基極之間，電容902和可調(diào)電阻903、電容912和可調(diào)電阻913分別構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90和91的時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路，最高計(jì)數(shù)頻率高達(dá)5MHz。
本發(fā)明所述的一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器的進(jìn)一步特征在于，輸出端81與輸入端901之間和輸出端914與電阻74的一端之間分別有電平轉(zhuǎn)換電路905和915。
工作原理背景技術(shù)恢復(fù)時(shí)間長的原因分析?；謴?fù)時(shí)間期間，雪崩二極管2的結(jié)電容和分布電容5的端電壓必須分別從Vlatch升至Va和從Va-Vlatch降至0伏。該結(jié)電容和分布電容均通過限流電阻3分別進(jìn)行充電和放電。為縮短恢復(fù)時(shí)間，限流電阻3的阻值應(yīng)盡可能取得小。但由于限流電阻3的另一個(gè)作用是限制雪崩發(fā)生時(shí)流過雪崩二極管2的雪崩電流小于額定值Ilatch，否則一旦發(fā)生雪崩，雪崩二極管2將永遠(yuǎn)維持處于雪崩狀態(tài)，失去檢測單光子的功能，所以限流電阻3的阻值也不可取得太小，一般為幾百千歐，使得最短的恢復(fù)時(shí)間只能達(dá)到幾個(gè)微秒的量級，最高計(jì)數(shù)率僅為260KHz。
為了解決這兩者在限流電阻3上產(chǎn)生的沖突，本發(fā)明采用由電子開關(guān)7和控制電路9組成的主動(dòng)快恢復(fù)電路，實(shí)現(xiàn)雪崩階段雪崩二極管2與限流電阻3的連接與恢復(fù)階段雪崩二極管2與小阻值電阻72連接之間的依次切換，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)快恢復(fù)的過程，保證了雪崩過程和快恢復(fù)過程的順利進(jìn)行。
在圖2的工作方式下限流電阻3與雪崩二極管2串聯(lián)連接，從輸出電阻4輸出的雪崩信號，即脈沖(E)，送到信號處理電路8中，經(jīng)過緩沖、放大、整形后得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL脈沖信號，即脈沖(F)輸出，將脈沖(F)的上升沿去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90通過可調(diào)電阻R903*電容C902的時(shí)間常數(shù)來控制脈沖(C)的脈沖持續(xù)期，脈沖(C)的脈沖持續(xù)期通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R903的阻值來調(diào)節(jié)，該脈沖持續(xù)期決定了電子開關(guān)7導(dǎo)通的起始時(shí)刻，用脈沖(C)的下降沿去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器91，輸出端914輸出的脈沖(D)經(jīng)可調(diào)電阻74和電阻73構(gòu)成的分壓電路驅(qū)動(dòng)晶體管70導(dǎo)通，雪崩二極管2經(jīng)導(dǎo)通的晶體管70與小阻值電阻72連接，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器91通過可調(diào)電阻R913*電容C912的時(shí)間常數(shù)來控制輸出脈沖(D)的脈沖持續(xù)期，即雪崩二極管2的結(jié)電容快恢復(fù)的充電時(shí)間，該充電時(shí)間通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R913的阻值來調(diào)節(jié)，該充電時(shí)間決定了電子開關(guān)7導(dǎo)通的時(shí)間。恢復(fù)時(shí)間≈脈沖(C)的脈沖持續(xù)期+脈沖(D)的脈沖持續(xù)期。主動(dòng)快恢復(fù)電路的恢復(fù)時(shí)間可縮短至200ns的量級，最高計(jì)數(shù)率可高達(dá)5MHz。主動(dòng)快恢復(fù)過程的時(shí)序圖如圖3所示，從圖中可以看出，經(jīng)過主動(dòng)快恢復(fù)過程后，兩次雪崩之間的時(shí)間間隔大大縮短，計(jì)數(shù)率大大提高。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。
2.利用如圖2虛線框中所示的電子開關(guān)7和控制電路9實(shí)現(xiàn)對雪崩過程和恢復(fù)過程的準(zhǔn)確操控，保證APD的雪崩和快恢復(fù)的依次進(jìn)行，控制簡單，便于操作。
3.實(shí)現(xiàn)了單光子檢測器的高計(jì)數(shù)率。


圖1已有的單光子檢測器電路。
圖2本發(fā)明的單光子檢測器的電路結(jié)構(gòu)簡圖，其中，1是直流電源，該電源有多路電壓輸出；2是雪崩二極管；3是限流電阻；4是輸出電阻，雪崩信號，即脈沖(E)從該電阻上取出；5是分布電容；6是插口；7是電子開關(guān)，由穩(wěn)壓二極管71、晶體管70、電阻72(其阻值在幾百歐至1K的量級)、電阻73和可調(diào)電阻74組成；8是雪崩信號處理電路；9是控制電路，由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90、91組成。
圖3主動(dòng)快恢復(fù)過程的時(shí)序圖，其中脈沖(A)和(B)示出了已有技術(shù)恢復(fù)過程的時(shí)序，脈沖(C)、(D)、(E)和(F)示出了本發(fā)明主動(dòng)快恢復(fù)過程的時(shí)序。
圖4已有的單光子檢測器的雪崩信號，即脈沖(A)，和計(jì)數(shù)信號，即脈沖(B)的示波圖形。
圖5本發(fā)明的單光子檢測器的雪崩信號，即脈沖(E)的示波圖形。
圖6本發(fā)明的單光子檢測器的計(jì)數(shù)信號，即脈沖(F)的示波圖形。
圖7本發(fā)明的實(shí)施例1的電路。
圖8本發(fā)明的實(shí)施例2的電路。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本實(shí)施例的電路示于圖7，其中，直流電源1的輸出電壓包括+240V、+15V、+5V、-5V、-5.2V、-15V，以分別給雪崩二極管2、信號處理電路8和控制電路9提供工作電壓，雪崩二極管2是EG&G公司出品的型號為C30902S的硅雪崩二極管，限流電阻3的阻值為220kΩ，輸出電阻4的阻值為1kΩ，分布電容5的容量估計(jì)為2pf，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90、91的型號均為MC74HC4538A，可調(diào)電阻74的阻值為470Ω，電阻73的阻值為200Ω，晶體管70的型號為3DK87，穩(wěn)壓二極管71的型號為1N5819，電阻72的阻值為1kΩ，可調(diào)電阻903和913的阻值均為20kΩ，電容902和912的容量均為10pf，最高計(jì)數(shù)率為3MHZ。信號處理電路8由高速緩沖器LH0033、高頻放大器LM7171、電壓比較器MAX913組成。信號處理電路8的實(shí)際電路與本發(fā)明技術(shù)方案無直接關(guān)系，這里不詳述。
實(shí)施例2本實(shí)施例的電路示于圖8。本實(shí)施例除了以下不同外，其余與實(shí)施例1完全相同單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器90、91的型號均為MC10198，電平轉(zhuǎn)換電路905和915的型號分別為MC10124和MC10H125，MC10124是TTL-ECL電平轉(zhuǎn)換芯片，MC10H125是ECL-TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，最高計(jì)數(shù)率為5MHZ。
權(quán)利要求
1.一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，含直流電源(1)、雪崩二極管(2)、限流電阻(3)、輸出電阻(4)、分布電容(5)、信號處理電路(8)、插口(6)，限流電阻(3)、輸出電阻(4)和雪崩二極管(2)串聯(lián)后跨接在直流電源(1)的Va和地線之間，分布電容(5)跨接在雪崩二極管(2)的陽極和地線之間，輸出電阻(4)的上端與信號處理電路(8)的輸入端(80)連接，插口(6)跨接在信號處理電路(8)的輸出端(8 1)和地線之間，其特征在于，它還包含電子開關(guān)(7)和控制電路(9)，電子開關(guān)(7)由電阻(72)、(73)，可調(diào)電阻(74)，穩(wěn)壓二極管(71)和晶體管(70)組成，穩(wěn)壓二極管(71)與電阻(72)并聯(lián)后跨接在晶體管(70)的發(fā)射極和地線之間，電阻(73)跨接在晶體管(70)的基極和地線之間，晶體管(70)的集電極與雪崩二極管(2)的陽極連接，控制電路(9)由級連的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)、(91)組成，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)的輸入端(901)與信號處理電路(8)的輸出端(81)連接，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)的輸出端(904)與單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(91)的輸入端(911)連接，可調(diào)電阻(74)跨接在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(91)的輸出端(914)和晶體管(70)的基極之間，電容(902)和可調(diào)電阻(903)、電容(912)和可調(diào)電阻(913)分別構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)和(91)的時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路，最高計(jì)數(shù)頻率高達(dá)5MHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，直流電源(1)的輸出電壓包括+240V、+15V、+5V、-5V、-5.2V、-15V，以分別給雪崩二極管(2)、信號處理電路(8)和控制電路(9)提供工作電壓，雪崩二極管(2)是EG&G公司出品的型號為C30902S的硅雪崩二極管，限流電阻(3)的阻值為220kΩ，輸出電阻(4)的阻值為1kΩ，分布電容(5)的容量估計(jì)為2pf，其特征在于，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)、(91)的型號均為MC74HC4538A，可調(diào)電阻(74)的阻值為470Ω，電阻(73)的阻值為200Ω，晶體管(70)的型號為3DK87，穩(wěn)壓二極管(71)的型號為1N5819，電阻(72)的阻值為1kΩ，可調(diào)電阻(903)和(913)的阻值均為20kΩ，電容(902)和(912)的容量均為10pf，最高計(jì)數(shù)率為3MHZ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，其特征在于，輸出端(81)與輸入端(901)之間和輸出端(914)與電阻(74)一端之間分別有電平轉(zhuǎn)換電路(905)和(915)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，其特征在于，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(90)、(91)的型號均為MC10198，電平轉(zhuǎn)換電路(905)和(915)的型號分別為MC10124和MC10H125，MC10124是TTL-ECL電平轉(zhuǎn)換芯片，MC10H125是ECL-TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，最高計(jì)數(shù)率為5MHZ。
全文摘要
一種高計(jì)數(shù)率的單光子檢測器，屬量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域，在已有的單光子檢測器的電路內(nèi)，增添由電子開關(guān)和控制電路組成的主動(dòng)快速恢復(fù)電路，電子開關(guān)跨接在雪崩二極管2的陽極與地線之間，控制電路控制電子開關(guān)的啟閉，在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，控制電路輸出正脈沖，令電子開關(guān)導(dǎo)通，雪崩二極管2的結(jié)電容和分布電容5通過小阻值的電子開關(guān)分別快速充電至Va和放電至0伏，主動(dòng)快速恢復(fù)電路大大縮短了單光子檢測器電路的恢復(fù)時(shí)間，確保單光子檢測器具有高計(jì)數(shù)率性能，有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，計(jì)數(shù)率高等優(yōu)點(diǎn)，適于在量子保密通信技術(shù)領(lǐng)域中作單光子檢測。
文檔編號G01T1/24GK1482470SQ03141680
公開日2004年3月17日 申請日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者秦小林, 周春源, 李和祥, 丁良恩, 曾和平 申請人:華東師范大學(xué)