本發(fā)明涉及量子保密通信和微弱光信號(hào)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路及控制方法。
背景技術(shù)：
單光子探測(cè)技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子量級(jí)微弱光檢測(cè)的方法，在量子通信、光譜測(cè)量、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)距、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。在目前的量子通信實(shí)驗(yàn)中，大量采用單光子的狀態(tài)作為信息載體進(jìn)行編碼和處理，單光子探測(cè)技術(shù)在其中起著極為關(guān)鍵的作用。
雪崩光電二極管(apd)單光子探測(cè)器以其體積小、低功耗、高性能、實(shí)用化等特點(diǎn)在量子通信實(shí)驗(yàn)中廣泛使用。apd的光譜響應(yīng)覆蓋范圍很廣，主要有三種：si-apd、ge-apd、ingaas/inp-apd，分別對(duì)應(yīng)著400nm～1100nm，800nm～1550nm，900nm～1700nm不同波段的光。在對(duì)應(yīng)的量子通信窗口，單光子的能量都在10-19j量級(jí)，達(dá)到現(xiàn)有探測(cè)器的探測(cè)靈敏度極限，研究和改進(jìn)apd的淬火驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)單光子信號(hào)的有效探測(cè)。
作為量子信號(hào)獲取的核心器件，單光子探測(cè)器的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)率等參數(shù)直接影響著量子通信的傳輸距離和成碼率等關(guān)鍵性能。探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)等因素受制于探測(cè)器本身的性能，而計(jì)數(shù)率主要由控制驅(qū)動(dòng)電路的死時(shí)間決定。
在單光子探測(cè)應(yīng)用中通常工作在所謂的蓋革模式，即apd兩端的偏置電壓高于其雪崩電壓。在蓋革模式中，一旦有光子或熱生成的載流子到達(dá)觸發(fā)雪崩，就在電路中產(chǎn)生電流脈沖信號(hào)。為了保證器件的安全工作，需要使用適當(dāng)?shù)拇慊痱?qū)動(dòng)電路，使雪崩發(fā)生后迅速地切斷雪崩，并使apd恢復(fù)到接收光子的狀態(tài)。
單光子探測(cè)器的淬火方式一般有三種：被動(dòng)淬火、主動(dòng)淬火、以及門控方式。被動(dòng)淬火電路利用電阻串聯(lián)來(lái)降低apd反向偏壓，其死時(shí)間較大，影響單光子探測(cè)效率。主動(dòng)淬火采用自反饋的方式可快速淬滅雪崩，并在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到雪崩前的水平，其優(yōu)點(diǎn)是死時(shí)間短，但通常電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。門控方式常用于光子到達(dá)時(shí)間已知的單光子探測(cè)中，使用門控信號(hào)進(jìn)行淬火控制，其優(yōu)點(diǎn)是可有效降低暗計(jì)數(shù)和后脈沖發(fā)生概率，但要求門信號(hào)與光信號(hào)精準(zhǔn)同步，且無(wú)法減少電路讀出的死時(shí)間，高速應(yīng)用受限于計(jì)數(shù)率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提供一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路及控制方法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確鑒別微弱雪崩信號(hào)，及時(shí)淬滅雪崩并復(fù)位，可有效抑制系統(tǒng)噪聲，實(shí)現(xiàn)單光子信號(hào)的高速率探測(cè)的技術(shù)效果。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路，包括單光子探測(cè)器、偏置電壓?jiǎn)卧约伴T控脈沖單元，單光子探測(cè)器的陰極分別與偏置電壓?jiǎn)卧?、門控脈沖單元連接，且單光子探測(cè)器的陰極通過(guò)電阻rq連接偏置電壓?jiǎn)卧?，單光子探測(cè)器的陽(yáng)極通過(guò)電阻rs接地，所述控制電路還包括主動(dòng)自反饋淬火電路單元，所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元連接在單光子探測(cè)器的陽(yáng)極，所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元包括濾波放大器、比較器、淬火控制單元以及探測(cè)結(jié)果輸出單元，所述濾波放大器的輸入端連接單光子探測(cè)器的陽(yáng)極，所述濾波放大器的輸出端依次連接比較器、淬火控制單元以及探測(cè)結(jié)果輸出單元，所述淬火控制單元的一輸出端連接有可使單光子探測(cè)器陽(yáng)極端電壓升高致單光子探測(cè)器雪崩熄滅的電壓控制器s_quench，所述電壓控制器s_quench一端連接有用于平衡單光子探測(cè)器偏置電壓的電源v_q，另一端連接單光子探測(cè)器陽(yáng)極。
優(yōu)選地，所述淬火控制單元包括第一d觸發(fā)器以及第一延時(shí)芯片t1，所述第一d觸發(fā)器的s接口連接比較器，所述第一d觸發(fā)器的r接口通過(guò)第一延時(shí)芯片t1連接電壓控制器s_quench，所述第一d觸發(fā)器的q接口連接探測(cè)結(jié)果輸出單元。
優(yōu)選地，所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元還包括偏置復(fù)位控制單元，所述偏置復(fù)位控制單元包括第二d觸發(fā)器與第二延時(shí)芯片t2，所述第二d觸發(fā)器的s接口連接第一d觸發(fā)器的/q接口，所述第二d觸發(fā)器的r接口連接第二延時(shí)芯片t2的一端，所述第二d觸發(fā)器的q接口通過(guò)復(fù)位開關(guān)s_reset連接gnd，所述復(fù)位開關(guān)s_reset的另一端連接光子探測(cè)器的陽(yáng)極。
優(yōu)選地，所述控制電路還包括溫控電路，所述溫控電路為tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元，所述tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元連接單光子探測(cè)器。
本發(fā)明還公開了一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制方法，包括以下步驟：
1)單光子探測(cè)器觸發(fā)：光子到達(dá)時(shí)單光子探測(cè)器，觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生微弱的雪崩電流脈沖信號(hào)；
2)淬火控制：雪崩電流脈沖信號(hào)經(jīng)濾波放大后，比較器探測(cè)到rs兩端的電壓降，并通過(guò)第一d觸發(fā)器輸出高電平信號(hào)使電壓控制器s_quench閉合，進(jìn)而使單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓升高到v_q，使單光子探測(cè)器兩端壓降降低，雪崩熄滅，完成主動(dòng)淬火；
3)復(fù)位控制：第一d觸發(fā)器的/q接口輸出信號(hào)進(jìn)入第二d觸發(fā)器，對(duì)第二d觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)，第二d觸發(fā)器輸出電平脈沖使復(fù)位開關(guān)s_reset閉合，進(jìn)而使單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓下降到gnd，導(dǎo)致單光子探測(cè)器兩端壓降恢復(fù)到雪崩前，實(shí)現(xiàn)偏置復(fù)位控制。
4)淬火、復(fù)位控制復(fù)位：雪崩熄滅，當(dāng)單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓恢復(fù)到gnd水平時(shí)，電壓控制器s_quench斷開，復(fù)位開關(guān)s_reset斷開，電路準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次光子探測(cè)；
5)信號(hào)輸出：第一d觸發(fā)器輸出信號(hào)進(jìn)入探測(cè)結(jié)果輸出單元，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)lvds/lvttl，作為光子計(jì)數(shù)和光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量之用。
上述方法中，所述單光子探測(cè)器溫控由tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元實(shí)現(xiàn)，使其工作在-40℃的穩(wěn)定環(huán)境。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：
本發(fā)明的高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路及控制方法，采用主動(dòng)自反饋淬火電路單元對(duì)雪崩觸發(fā)的單光子探測(cè)器進(jìn)行淬火控制，該淬火電路及方法不僅能夠在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)微弱雪崩信號(hào)，同時(shí)可極快的淬滅雪崩并復(fù)位，大幅度的提高了單光子的探測(cè)效率，也在一定程度上降低了系統(tǒng)電路的冗雜度，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路的原理框圖。
圖中：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)器100，偏置電壓?jiǎn)卧?00，門控脈沖單元300，主動(dòng)自反饋淬火電路單元400，濾波放大器410，比較器420，淬火控制單元430，第一d觸發(fā)器431，第一延時(shí)芯片t1432，探測(cè)結(jié)果輸出單元440，偏置復(fù)位控制單元450，第二d觸發(fā)器451，第二延時(shí)芯片t2452，溫控電路500。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行清楚、完整地描述。
如圖1所示，一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路，包括單光子探測(cè)器100、偏置電壓?jiǎn)卧?00以及門控脈沖單元300，所述單光子探測(cè)器100采用雪崩二極管實(shí)現(xiàn)，單光子探測(cè)器100的陰極分別與偏置電壓?jiǎn)卧?00、門控脈沖單元300連接，且單光子探測(cè)器的陰極通過(guò)電阻rq連接偏置電壓?jiǎn)卧?00，電阻rq用于分壓，單光子探測(cè)器100的陽(yáng)極通過(guò)電阻rs接地，所述控制電路還包括主動(dòng)自反饋淬火電路單元400，所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元400連接在單光子探測(cè)器100的陽(yáng)極，所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元400包括濾波放大器410、比較器420、淬火控制單元430以及探測(cè)結(jié)果輸出單元440，所述濾波放大器410的輸入端連接單光子探測(cè)器100的陽(yáng)極，所述濾波放大器410的輸出端依次連接比較器420、淬火控制單元430以及探測(cè)結(jié)果輸出單元440，所述淬火控制單元430的一輸出端連接有可使單光子探測(cè)器100陽(yáng)極端電壓升高致單光子探測(cè)器100雪崩熄滅的電壓控制器s_quench，所述電壓控制器s_quench采用nmos管，所述電壓控制器s_quench一端連接有用于平衡單光子探測(cè)器100偏置電壓的電源v_q，另一端連接單光子探測(cè)器100陽(yáng)極。
所述淬火控制單元430包括第一d觸發(fā)器431以及第一延時(shí)芯片t1432，所述第一d觸發(fā)器431的s接口連接比較器420，所述第一d觸發(fā)器431的r接口通過(guò)第一延時(shí)芯片t1432連接電壓控制器s_quench，所述第一d觸發(fā)器431的q接口連接探測(cè)結(jié)果輸出單元440。
所述主動(dòng)自反饋淬火電路單元400還包括偏置復(fù)位控制單元450，所述偏置復(fù)位控制單元450包括第二d觸發(fā)器451與第二延時(shí)芯片t2452，所述第二d觸發(fā)器451的s接口連接第一d觸發(fā)器431的/q接口，所述第二d觸發(fā)器451的r接口連接第二延時(shí)芯片t2452的一端，所述第二d觸發(fā)器451的q接口通過(guò)復(fù)位開關(guān)s_reset連接gnd，所述復(fù)位開關(guān)s_reset采用pmos管，所述復(fù)位開關(guān)s_reset的另一端連接光子探測(cè)器100的陽(yáng)極。
所述控制電路還包括溫控電路500，所述溫控電路500為tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元，所述tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元連接單光子探測(cè)器100。
本發(fā)明涉及的電路單元如下：
(1)濾波放大器410：主要實(shí)現(xiàn)雪崩二極管雪崩初始信號(hào)的濾波和放大，抑制尖峰噪聲，提取有效雪崩信號(hào)，采用lfcn575+濾波器和ada4960-1放大器的兩級(jí)濾波放大；
(2)比較器：主要實(shí)現(xiàn)雪崩信號(hào)的有效快速甄別，采用高速比較器adcm572，閾值可調(diào)；
(3)淬火控制單元：主要實(shí)現(xiàn)雪崩二極管雪崩淬滅控制，通過(guò)探測(cè)比較器輸出信號(hào)，快速抑制雪崩并淬滅。采用高速d觸發(fā)器sy55852，延時(shí)線芯片ds1100，mc100ep系列的ecl高速電平轉(zhuǎn)換芯片，可實(shí)現(xiàn)4ns-20ns的可調(diào)淬滅電平控制；
(4)偏置復(fù)位控制單元：主要實(shí)現(xiàn)雪崩二極管偏置復(fù)位控制，通過(guò)接受淬滅結(jié)束信號(hào)的觸發(fā)，快速?gòu)?fù)位雪崩二極管偏置電壓，等待下一次探測(cè)。采用高速d觸發(fā)器sy55852，延時(shí)線芯片ds1100，mc100ep系列的ecl高速電平轉(zhuǎn)換芯片，可實(shí)現(xiàn)4ns-20ns的可調(diào)復(fù)位電平控制；
(5)電壓控制器s_quench與復(fù)位開關(guān)s_reset：主要實(shí)現(xiàn)淬滅電平和復(fù)位電平的快速導(dǎo)通和關(guān)斷。采用nmos管和pmos管，作為控制開關(guān)；
(6)探測(cè)結(jié)果輸出單元：主要實(shí)現(xiàn)輸出雪崩二極管探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)，作為光子計(jì)數(shù)和光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量之用。采用mc100ep系列的ecl高速電平轉(zhuǎn)換芯片，可輸出lvds和lvttl兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
本發(fā)明還公開了一種高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制方法，包括以下步驟：
1)單光子探測(cè)器觸發(fā)：光子到達(dá)時(shí)單光子探測(cè)器，觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生微弱的雪崩電流脈沖信號(hào)；
2)淬火控制：雪崩電流脈沖信號(hào)經(jīng)濾波放大后，比較器探測(cè)到rs兩端的電壓降，并通過(guò)第一d觸發(fā)器輸出高電平信號(hào)使電壓控制器s_quench閉合，進(jìn)而使單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓升高到v_q，使單光子探測(cè)器兩端壓降降低，雪崩熄滅，完成主動(dòng)淬火；
3)復(fù)位控制：第一d觸發(fā)器的/q接口輸出信號(hào)進(jìn)入第二d觸發(fā)器，對(duì)第二d觸發(fā)器進(jìn)行觸發(fā)，第二d觸發(fā)器輸出電平脈沖使復(fù)位開關(guān)s_reset閉合，進(jìn)而使單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓下降到gnd，導(dǎo)致單光子探測(cè)器兩端壓降恢復(fù)到雪崩前，實(shí)現(xiàn)偏置復(fù)位控制。
4)淬火、復(fù)位控制復(fù)位：雪崩熄滅，當(dāng)單光子探測(cè)器陽(yáng)極的端電壓恢復(fù)到gnd水平時(shí)，電壓控制器s_quench斷開，復(fù)位開關(guān)s_reset斷開，電路準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次光子探測(cè)；
5)信號(hào)輸出：第一d觸發(fā)器輸出信號(hào)進(jìn)入探測(cè)結(jié)果輸出單元，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)lvds/lvttl，作為光子計(jì)數(shù)和光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量之用。
上述方法中，所述單光子探測(cè)器溫控由tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元實(shí)現(xiàn)，使其工作在-40℃的穩(wěn)定環(huán)境。
本發(fā)明單光子探測(cè)淬火控制方法的實(shí)施例如下：
雪崩二極管由一個(gè)直流高壓所偏置，直流高壓一般高于雪崩電壓；雪崩二極管溫控由tec制冷驅(qū)動(dòng)電路單元實(shí)現(xiàn)，使其工作在-40℃的穩(wěn)定環(huán)境；門控脈沖電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)與輸入光信號(hào)的同步，用于降低暗計(jì)數(shù)的影響。濾波放大器實(shí)現(xiàn)雪崩信號(hào)的降噪放大。第一d觸發(fā)器和延時(shí)芯片t1組成的電路完成雪崩二極管雪崩淬滅控制，第二d觸發(fā)器和延時(shí)芯片t2組成的電路完成雪崩二極管偏置復(fù)位控制。
雪崩二極管串聯(lián)一個(gè)電阻rq，這時(shí)雪崩二極管處于探測(cè)光子的準(zhǔn)備階段。當(dāng)有光子到達(dá)時(shí)，觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生微弱的雪崩電流脈沖信號(hào)。經(jīng)濾波放大后，反饋電路中的比較器迅速地探測(cè)到電阻rs兩端的電壓降，并通過(guò)第一d觸發(fā)器輸出高電平信號(hào)使電壓控制器s_quench閉合，進(jìn)而使雪崩二極管陽(yáng)極的端電壓升高到v_q，一般為10v左右，導(dǎo)致雪崩二極管兩端壓降降低，雪崩熄滅，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)淬火。第一d觸發(fā)器輸出觸發(fā)脈沖由一個(gè)可調(diào)延時(shí)的電路進(jìn)行復(fù)位控制，使其輸出電平脈寬為t1，以使工作電壓在一段時(shí)間內(nèi)維持在熄滅水平,從而實(shí)現(xiàn)了雪崩主動(dòng)淬火。
其后，第一d觸發(fā)器的負(fù)向輸出信號(hào)(/q)進(jìn)入第二d觸發(fā)器，即雪崩淬滅后立即觸發(fā)第二d觸發(fā)器，輸出寬度為t2的電平脈沖使復(fù)位開關(guān)s_reset閉合，進(jìn)而使雪崩二極管陽(yáng)極的端電壓下降到gnd，導(dǎo)致雪崩二極管兩端壓降恢復(fù)到雪崩前，實(shí)現(xiàn)偏置復(fù)位控制，電路準(zhǔn)備好下一次光子探測(cè)。雪崩熄滅，最后，當(dāng)雪崩二極管陽(yáng)極的端電壓恢復(fù)到gnd水平時(shí)，電壓控制器s_quench斷開，復(fù)位開關(guān)s_reset斷開，電路準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次光子探測(cè)。
第一d觸發(fā)器輸出信號(hào)進(jìn)入探測(cè)結(jié)果輸出單元，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)(lvds/lvttl)，作為光子計(jì)數(shù)和光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量之用。
上述主動(dòng)自反饋淬火電路單元中，t1為雪崩二極管雪崩淬滅控制時(shí)間，其值在4ns-20ns可調(diào)，步長(zhǎng)為4ns；t2為apd偏置復(fù)位控制時(shí)間，其值在4ns-20ns可調(diào)，步長(zhǎng)為4ns。t1電平的下降沿觸發(fā)t2電平，其延時(shí)僅為400ps?？芍瓿梢淮喂庾有盘?hào)探測(cè)的時(shí)間為t＝t1+t2+t0，t0為雪崩二極管探測(cè)響應(yīng)時(shí)間和器件延時(shí)，一般總值小于2ns。因此，此方案下的單光子探測(cè)死時(shí)間可調(diào)至最小10ns，可實(shí)現(xiàn)100mcounts/s的高速計(jì)數(shù)。
綜合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理可知，本發(fā)明的高速自反饋的單光子探測(cè)淬火控制電路及控制方法，采用主動(dòng)自反饋淬火電路單元對(duì)雪崩觸發(fā)的單光子探測(cè)器進(jìn)行淬火控制，該淬火電路及方法不僅能夠在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)微弱雪崩信號(hào)，同時(shí)可極快的淬滅雪崩并復(fù)位，大幅度的提高了單光子的探測(cè)效率，也在一定程度上降低了系統(tǒng)電路的冗雜度，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本。