[实用新型]一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信和微弱光信号技术领域，特别涉及一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法。

背景技术

单光子探测技术是一种实现单个光子量级微弱光检测的方法，在量子通信、光谱测量、放射探测、高能物理、天文测距、激光雷达等领域有着十分广泛的应用。在目前的量子通信实验中，大量采用单光子的状态作为信息载体进行编码和处理，单光子探测技术在其中起着极为关键的作用。

雪崩光电二极管(APD)单光子探测器以其体积小、低功耗、高性能、实用化等特点在量子通信实验中广泛使用。APD的光谱响应覆盖范围很广，主要有三种：Si-APD、Ge-APD、InGaAs/InP-APD，分别对应着400nm～1100nm，800nm～1550nm，900nm～1700nm不同波段的光。在对应的量子通信窗口，单光子的能量都在10^-19J量级，达到现有探测器的探测灵敏度极限，研究和改进APD的淬火驱动技术，可实现单光子信号的有效探测。

作为量子信号获取的核心器件，单光子探测器的探测效率、暗计数、计数率等参数直接影响着量子通信的传输距离和成码率等关键性能。探测效率、暗计数等因素受制于探测器本身的性能，而计数率主要由控制驱动电路的死时间决定。

在单光子探测应用中通常工作在所谓的盖革模式，即APD两端的偏置电压高于其雪崩电压。在盖革模式中，一旦有光子或热生成的载流子到达触发雪崩，就在电路中产生电流脉冲信号。为了保证器件的安全工作，需要使用适当的淬火驱动电路，使雪崩发生后迅速地切断雪崩，并使APD恢复到接收光子的状态。

单光子探测器的淬火方式一般有三种：被动淬火、主动淬火、以及门控方式。被动淬火电路利用电阻串联来降低APD反向偏压，其死时间较大，影响单光子探测效率。主动淬火采用自反馈的方式可快速淬灭雪崩，并在很短时间内恢复到雪崩前的水平，其优点是死时间短，但通常电路设计复杂。门控方式常用于光子到达时间已知的单光子探测中，使用门控信号进行淬火控制，其优点是可有效降低暗计数和后脉冲发生概率，但要求门信号与光信号精准同步，且无法减少电路读出的死时间，高速应用受限于计数率。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，以实现系统能够在极短的时间内准确鉴别微弱雪崩信号，及时淬灭雪崩并复位，可有效抑制系统噪声，实现单光子信号的高速率探测的技术效果。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路，包括单光子探测器、偏置电压单元以及门控脉冲单元，单光子探测器的阴极分别与偏置电压单元、门控脉冲单元连接，且单光子探测器的阴极通过电阻Rq连接偏置电压单元，单光子探测器的阳极通过电阻Rs接地，所述控制电路还包括主动自反馈淬火电路单元，所述主动自反馈淬火电路单元连接在单光子探测器的阳极，所述主动自反馈淬火电路单元包括滤波放大器、比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述滤波放大器的输入端连接单光子探测器的阳极，所述滤波放大器的输出端依次连接比较器、淬火控制单元以及探测结果输出单元，所述淬火控制单元的一输出端连接有可使单光子探测器阳极端电压升高致单光子探测器雪崩熄灭的电压控制器S_quench，所述电压控制器S_quench一端连接有用于平衡单光子探测器偏置电压的电源V_q，另一端连接单光子探测器阳极。

优选地，所述淬火控制单元包括第一D触发器以及第一延时芯片T1，所述第一D触发器的S接口连接比较器，所述第一D触发器的R接口通过第一延时芯片T1连接电压控制器S_quench，所述第一D触发器的Q接口连接探测结果输出单元。

优选地，所述主动自反馈淬火电路单元还包括偏置复位控制单元，所述偏置复位控制单元包括第二D触发器与第二延时芯片T2，所述第二D触发器的S接口连接第一D触发器的/Q接口，所述第二D触发器的R接口连接第二延时芯片T2的一端，所述第二D触发器的Q接口通过复位开关S_reset连接GND，所述复位开关S_reset的另一端连接光子探测器的阳极。

优选地，所述控制电路还包括温控电路，所述温控电路为TEC制冷驱动电路单元，所述TEC制冷驱动电路单元连接单光子探测器。

本实用新型还公开了一种高速自反馈的单光子探测淬火控制方法，包括以下步骤：

1)单光子探测器触发：光子到达时单光子探测器，触发雪崩，产生微弱的雪崩电流脉冲信号；