CN1758037A - Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法 - Google Patents

Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1758037A
CN1758037A CNA2005101238569A CN200510123856A CN1758037A CN 1758037 A CN1758037 A CN 1758037A CN A2005101238569 A CNA2005101238569 A CN A2005101238569A CN 200510123856 A CN200510123856 A CN 200510123856A CN 1758037 A CN1758037 A CN 1758037A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
apd
trigger
pulse
control module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005101238569A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100458383C (zh
Inventor
孙志斌
杨捍东
马海强
翟光杰
吴令安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Physics of CAS filed Critical Institute of Physics of CAS
Priority to CNB2005101238569A priority Critical patent/CN100458383C/zh
Publication of CN1758037A publication Critical patent/CN1758037A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100458383C publication Critical patent/CN100458383C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种APD单光子探测器雪崩信号的提取方法，该方法包括以下步骤：首先将触发信号经过一个触发延迟单元后一部分送经门控脉冲控制单元后加到APD的阴极，然后从APD阳极进行电流取样作为获取的原始信号，另一部分则经过计数延迟单元、计数控制单元后输入触发器，然后将原始信号送到比较器，经比较器后输入触发器作为触发器的时钟；触发器在两路信号的触发下完成APD雪崩信号的脉冲提取；上述提取的脉冲的一部分反馈到死区时间控制单元，另一部分从触发器的输出端输出信号同时经过输出宽度控制单元后输出脉宽可控的脉冲信号。上述方法缩短了雪崩信号的恢复总时间，速度快，抗干扰能力强，灵活性大，实验参数范围广。

Description

APD单光子探测器雪崩信号的提取方法
技术领域
本发明涉及量子密码通信类，特别是涉及一种单光子检测技术中的雪崩二极管(APD)雪崩信号的提取方法。
背景技术
量子密码通信技术是由物理学海森伯不确定性原理决定了其完全保密的特性，是基于光量子的通信，密码信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能窃听信息而不被发现。在量子保密通信中，单光子探测有非常重要的作用，用于单光子探测器的光信号检测和放大器件主要有光电倍增管和雪崩光电二极管，光电倍增管在光纤通信波长范围内量子效率低、噪声大、暗电流大，而雪崩光电二极管与其相反，具有量子探测效率高、噪声小、暗电流小等优点，使雪崩光电二极管在量子密码通信***中逐步取代了光电倍增管，但是，由于雪崩光电二极管本身存在分布电容和结电容，这些电容的存在会在门控信号的上升沿和下降沿产生微分干扰脉冲，如何从微分干扰脉冲中提取雪崩信号，已成为单光子探测技术中的一大难点；另外APD发生雪崩后的雪崩二极管本征恢复时间太长，成为影响探测器速度、提高量子密码通讯传输速率的瓶颈。如何在获得光脉冲信号后缩短雪崩信号的恢复时间就成为单光子探测的另一急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种速度快、抗干扰能力强、结构简单、灵活性大、实验参数范围广，输出信号能适应不同脉冲宽度要求的APD单光子探测器雪崩信号的提取方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种APD单光子探测器雪崩信号的提取方法，该方法包括以下步骤：
(一)将触发信号经过一个触发延迟单元后一部分送到门控脉冲控制单元，另一部分则经过计数延迟单元、计数控制单元后输入触发器，门控脉冲控制单元将所输入信号的脉冲宽度调制到一定的宽度值后再加到APD的阴极使APD进入光触发等待状态，然后从APD阳极进行电流取样作为获取的原始信号；
(二)将从APD阳极所获取的原始信号送到比较器，在比较器中与比较器中所设定的鉴别电压进行比较，滤除弱干扰信号，并将保留的信号转换成TTL信号也输入触发器作为触发器的时钟；
(三)触发器在两路信号的触发下完成APD雪崩信号的脉冲提取；
(四)上述提取的脉冲的一部分反馈到死区时间控制单元，在此死区时间控制单元内形成高电平控制信号分别送到门控脉冲单元和计数控制单元，使门控脉冲控制单元与计数控制单元在一定控制的时间段内关闭，在死区时间控制信号消失后，门控脉冲控制单元与计数控制单元恢复正常，所述脉冲的另一部分从触发器的输出端输出信号同时经过输出宽度控制单元整形后输出一个脉宽可控的脉冲信号，该信号就是最终经过整形的单光子雪崩信号。
进一步，在所述步骤(四)中，所述提取的脉冲的一部分通过一开关控制单元后反馈到死区时间控制单元。
进一步，所述触发延迟单元是一可控延迟电路单元。
上述方法以门控的方式避开APD节电容所产生的微分信号，获得真实的光脉冲信号，并且一旦获得了光脉冲信号，立即执行雪崩二极管抑制，缩短了雪崩信号的恢复总时间，速度快，抗干扰能力强，灵活性大，实验参数范围广，并且上述方法的输出信号能适应不同脉冲宽度的要求。
附图说明
附图1为本发明APD雪崩信号提取的原理示意图；
附图2为APD雪崩信号提取的时序图；
附图3为APD雪崩信号有源抑制时序图；
附图4为APD雪崩信号时间分析图；
附图5为APD雪崩信号提取的实施例电路图。
具体实施方式：
本发明APD单光子探测器雪崩信号的提取方法包括下述过程：
如图1所示，触发信号A经过一个触发延迟单元1，该触发延迟单元1是一可控延迟电路单元，能够将触发信号延迟一个设定时间后一部分送到门控脉冲控制单元2，另一部分则经过计数延迟单元5、计数控制单元6经过两次延时且经过宽度调制得到TTL信号后输入触发器4，该延时的目的是控制门控信号和产生单光子信号的激光器同步工作，门控脉冲单元2将其输入信号的脉冲宽度调制到一定的宽度值(可人为调节)，再加到APD的阴极使APD进入光触发等待状态，从APD阳极进行电流取样作为获取信号，该信号将包含由门控脉冲信号、APD分布电容和结电容所引起的微分信号以及期望获得的单光子触发的雪崩信号，将从APD阳极所获取的信号送到比较器3，在比较器3中与比较器3中所设定的鉴别电压进行比较，该鉴别电压可人为调节，以滤除弱干扰信号，并将保留的信号转换成TTL信号也输入触发器4作为触发器4的时钟；触发器4在两路信号的触发下完成了APD雪崩信号的脉冲提取，该脉冲的一部分通过一开关控制单元8反馈到死区时间控制单元10，在此死区时间控制单元10内形成高电平控制信号分别送到门控脉冲单元2和计数控制单元6，使门控脉冲控制单元2与计数控制单元6在一定控制的时间段内关闭，在死区时间控制信号消失后，门控脉冲控制单元2与计数控制单元6恢复正常。所述脉冲的另一部分从触发器4的输出端输出信号同时经过输出宽度控制单元9整形后输出一个脉宽可控的脉冲信号，该信号就是最终经过整形的单光子雪崩信号，其中触发延迟，门控脉冲，计数延迟，计数控制，死区时间，输出脉宽都可以人为设定。
APD雪崩信号提取的时序如图2所示，从门控脉冲控制单元2发出的门控信号作为APD的工作触发信号，从雪崩二极管的阳极可获得原始取样信号，原始取样信号中包含了APD雪崩管的分布电容和结电容所造成的微分干扰信号和单光子雪崩信号，在比较器3内原始取样信号与鉴别电压相比较，就从原始取样信号中鉴别出第一微分信号和雪崩信号，并将其转换为TTL电平，然后在计数延迟单元中将计数控制信号延迟第一个微分信号的宽度值，来避开第一个微分干扰信号，通过计数控制单元的宽度调节来避开第二个微分干扰信号，这样形成的计数控制信号就能在门控信号的有效范围(是门控信号在第一微分信号之后和第二微分信号之前的高电平期间)内来实现比较器输出信号与计数控制信号的相与运算，从而捕获单光子触发的雪崩信号，这样就完成了APD雪崩信号的提取。
APD雪崩信号有源抑制的时序如图3所示，在门控脉冲信号和计数控制信号的配合下，触发器在雪崩信号的峰值处捕获到雪崩信号，在该触发信号的上升沿触发死区时间控制电路，触发的死区时间控制信号立刻将门控脉冲电路和计数控制电路关闭，这时门控脉冲信号和计数控制信号迅速恢复到低电平，停止对雪崩光电二极管的触发和对雪崩信号的捕获，这样就能使雪崩二极管迅速恢复，在死区时间控制信号消失后，门控脉冲电路和计数控制电路就恢复原来状态，进入下一测量周期，因而提高雪崩信号的检测速度。
APD信号时间分析如图4所示，在原始的信号中，t11是第一个微分信号的时间，t12是第二个微分信号的时间，t1LH是雪崩信号上升阶段的时间，t1HL是雪崩信号下降阶段的时间，由于雪崩信号的下降时间较长，一般情况下为1us，这成为单光子探测器检测雪崩信号快慢的瓶颈，而在有源抑制工作方式中可以使雪崩信号的下降时间t1HL＜10ns，这就极大的提高了探测器的速度，由于微分信号是雪崩光电二极管的结电容和分布电容充放电所造成的，充放电时间可由t＝5RC公式近似计算。在实际电路中放电电阻比充电电阻小的多，故近似计算只考虑充电电阻，结电容与分布电容值大小为0.3~0.6pF，充电电阻是门控输出电阻，一般为几千欧姆，在实际中选择输出电阻比较小的器件，这样就可以使t11和t12小于10ns，调整雪崩光电二极管的静态工作点，就可将雪崩信号的上升时间t1LH＜5ns，而整个信号的时间长度为这四个时间之和，即t＝t11+t12+t1LH+t1HL，由上述可知t＜35ns，一个完整的周期信号还应包括低电平的时间，这样户可以完整的周期信号T＜50ns，从而就可以使单光子探测器的探测速度达到20MHz。
如图5APD雪崩信号提取的电路图所示，在信号的输入端使用74F04，74F02非门和或非门构成内触发信号与外触发信号选择开关，经选择开关选择，触发信号A进入触发延迟器件DALLAS1023，在数据控制端的控制下，将触发信号延迟一定时间，经过74F02与74F04构成的死区控制开关送到门控脉冲控制器件DALLAS1023，调制被延迟信号的脉冲宽度，然后经C10耦合到APD的阴极，在APD阳极从取样电阻R5将输出信号送到8561比较器与鉴别电压比较后作为触发器74F112的时钟；将U10的6脚信号作为触发器的异步清零信号；同时将U10的6脚输出信号送到计数控制触发延迟DALLAS1023，经延迟的信号通过U14构成的死区控制开关送给计数控制单元DALLAS1023，经其调制的信号作为触发器74F112的J输入信号；从74F112正相输出的信号一路送到死区时间控制器件DALLAS1023，经其输出一个死区时间控制信号，用来控制门控脉冲器件和技术控制器件的开与关。另一路送到TTL输出控制DALLAS1023，将该信号的宽度调制到与外接设备相匹配的宽度输出。
图中U1，U2，U3，U4是光隔离器件，完成控制单元数据与APD数据的隔离，减少之间的相互干扰，74LS138与74ALS04将控制信号译码为上述DALLAS1023的数据锁存控制信号，配合控制器完成数据的锁存。

Claims (3)

1、APD单光子探测器雪崩信号的提取方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(一)将触发信号经过一个触发延迟单元后一部分送到门控脉冲控制单元，另一部分则经过计数延迟单元、计数控制单元后输入触发器，门控脉冲控制单元将所输入信号的脉冲宽度调制到一定的宽度值后再加到APD的阴极使APD进入光触发等待状态，然后从APD阳极进行电流取样作为获取的原始信号；
(二)将从APD阳极所获取的原始信号送到比较器，在比较器中与比较器中所设定的鉴别电压进行比较，滤除弱干扰信号，并将保留的信号转换成TTL信号也输入触发器作为触发器的时钟；
(三)触发器在两路信号的触发下完成APD雪崩信号的脉冲提取；
(四)上述提取的脉冲的一部分反馈到死区时间控制单元，在此死区时间控制单元内形成高电平控制信号分别送到门控脉冲单元和计数控制单元，使门控脉冲控制单元与计数控制单元在一定控制的时间段内关闭，在死区时间控制信号消失后，门控脉冲控制单元与计数控制单元恢复正常，所述脉冲的另一部分从触发器的输出端输出信号同时经过输出宽度控制单元整形后输出一个脉宽可控的脉冲信号，该信号就是最终经过整形的单光子雪崩信号。
2、如权利要求1所述的APD单光子探测器雪崩信号的提取方法，其特征在于：在所述步骤(四)中，所述提取的脉冲的一部分通过一开关控制单元后反馈到死区时间控制单元。
3、如权利要求1所述的APD单光子探测器雪崩信号的提取方法，其特征在于：所述触发延迟单元是一可控延迟电路单元。
CNB2005101238569A 2005-11-23 2005-11-23 Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法 Expired - Fee Related CN100458383C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005101238569A CN100458383C (zh) 2005-11-23 2005-11-23 Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005101238569A CN100458383C (zh) 2005-11-23 2005-11-23 Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1758037A true CN1758037A (zh) 2006-04-12
CN100458383C CN100458383C (zh) 2009-02-04

Family

ID=36703522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005101238569A Expired - Fee Related CN100458383C (zh) 2005-11-23 2005-11-23 Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100458383C (zh)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102230828A (zh) * 2011-04-07 2011-11-02 华东师范大学 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法
CN101545810B (zh) * 2008-03-26 2012-05-09 中国科学技术大学 一种高速单光子探测方法与探测器
CN103163443A (zh) * 2013-03-29 2013-06-19 吉首大学 光电雪崩二极管（apd）自动参数测试仪
CN103759840A (zh) * 2014-01-20 2014-04-30 中国科学技术大学 一种半导体红外单光子探测器雪崩信号甄别装置及方法
CN104020702A (zh) * 2014-06-09 2014-09-03 上海理工大学 死时间产生方法
CN106574977A (zh) * 2014-06-23 2017-04-19 美国西门子医疗解决公司 用于伽马照相机中的停滞时间确定的方法和用于实现该方法的***
CN106708157A (zh) * 2016-12-29 2017-05-24 华中科技大学 一种apd工作电压自动选择装置及方法
CN107449516A (zh) * 2017-07-06 2017-12-08 东南大学 一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法
CN109799496A (zh) * 2018-11-14 2019-05-24 深圳市光微科技有限公司 并发性检测电路、光子检测器、脉冲式tof传感器以及其实现方法
CN110462846A (zh) * 2017-03-27 2019-11-15 株式会社电装 光检测器
CN110618111A (zh) * 2018-06-19 2019-12-27 克洛纳测量技术有限公司 用于时间解析地测量测量信号的测量设备和方法
CN113933885A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 西门子医疗有限公司 光子计数x射线探测器、医疗成像设备和方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09270526A (ja) * 1996-03-29 1997-10-14 Japan Radio Co Ltd アバランシェホトダイオード回路
CN100410636C (zh) * 2004-03-19 2008-08-13 华东师范大学 一种apd单光子探测的电路模块

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101545810B (zh) * 2008-03-26 2012-05-09 中国科学技术大学 一种高速单光子探测方法与探测器
CN102230828A (zh) * 2011-04-07 2011-11-02 华东师范大学 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法
CN102230828B (zh) * 2011-04-07 2012-08-08 华东师范大学 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法
CN103163443A (zh) * 2013-03-29 2013-06-19 吉首大学 光电雪崩二极管（apd）自动参数测试仪
CN103759840A (zh) * 2014-01-20 2014-04-30 中国科学技术大学 一种半导体红外单光子探测器雪崩信号甄别装置及方法
CN103759840B (zh) * 2014-01-20 2016-08-17 中国科学技术大学 一种半导体红外单光子探测器雪崩信号甄别装置及方法
CN104020702A (zh) * 2014-06-09 2014-09-03 上海理工大学 死时间产生方法
CN104020702B (zh) * 2014-06-09 2016-05-25 上海理工大学 死时间产生方法
CN106574977B (zh) * 2014-06-23 2019-09-17 美国西门子医疗解决公司 用于伽马照相机中的停滞时间确定的方法和用于实现该方法的***
US10330797B2 (en) 2014-06-23 2019-06-25 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Method for dead time determination in a gamma camera and a system for accomplishing the same
CN106574977A (zh) * 2014-06-23 2017-04-19 美国西门子医疗解决公司 用于伽马照相机中的停滞时间确定的方法和用于实现该方法的***
CN106708157A (zh) * 2016-12-29 2017-05-24 华中科技大学 一种apd工作电压自动选择装置及方法
CN106708157B (zh) * 2016-12-29 2017-10-31 华中科技大学 一种apd工作电压自动选择装置及方法
CN110462846A (zh) * 2017-03-27 2019-11-15 株式会社电装 光检测器
CN110462846B (zh) * 2017-03-27 2022-08-05 株式会社电装 光检测器
CN107449516A (zh) * 2017-07-06 2017-12-08 东南大学 一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法
CN107449516B (zh) * 2017-07-06 2019-07-23 东南大学 一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法
CN110618111A (zh) * 2018-06-19 2019-12-27 克洛纳测量技术有限公司 用于时间解析地测量测量信号的测量设备和方法
CN109799496A (zh) * 2018-11-14 2019-05-24 深圳市光微科技有限公司 并发性检测电路、光子检测器、脉冲式tof传感器以及其实现方法
CN113933885A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 西门子医疗有限公司 光子计数x射线探测器、医疗成像设备和方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN100458383C (zh) 2009-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100458383C (zh) Apd单光子探测器雪崩信号的提取方法
CN106197692B (zh) 一种单光子探测器的测试装置及其测试方法
US9029774B2 (en) Single photon detector in the near infrared using an InGaAs/InP avalanche photodiode operated with a bipolar rectangular gating signal
CN110120835B (zh) 一种外门控单光子探测光时域反射测量方法
CN106482840B (zh) 一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法
CN102724036A (zh) 连续变量量子密钥分发***及其同步实现方法
CN111504482B (zh) 一种可抑制后脉冲的单光子探测装置及方法
CN103759840B (zh) 一种半导体红外单光子探测器雪崩信号甄别装置及方法
CN102155998B (zh) 全集成型高速单光子探测***及其探测方法
CN110987201B (zh) 一种单光子探测器死时间控制电路实现方法及装置
CN103278248B (zh) 单光子探测器死时间控制装置
CN110213511A (zh) 一种基于spad的高速图像传感器像素结构
CN102623883B (zh) 基于脉冲激光散射光同步的距离选通同步控制装置
CN109443555A (zh) 基于主动淬灭主动恢复电路的单光子探测***
CN102004003B (zh) 光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器
CN103487148B (zh) 基于快速电流感应的单光子探测抑制电路
CN209559337U (zh) 一种单光子探测死时间控制装置
US10056974B2 (en) Apparatus and method for low latency, reconfigurable and picosecond resolution time controller
CN104568175A (zh) 单光子阵列探测成像装置
CN204313972U (zh) 单光子阵列探测成像装置
CN212658333U (zh) 一种可抑制后脉冲的单光子探测装置
CN201828343U (zh) 光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器
CN112414548B (zh) 一种同步相关采样的apd数字化雪崩信号提取方法
CN112393810B (zh) 单光子探测装置和方法
CN114994642B (zh) 一种多路探测的激光雷达

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090204

Termination date: 20111123