專利名稱：一種apd單光子探測的電路模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及量子保密通信類，具體的講是對InGaAs/InP APD(雪崩光電 二極管)各項工作參數設置和弱信號檢測提取的電路模塊，實現近紅外波段單 光子的探測。
背景技術：
量子保密通信系統中一項關鍵的技術就是在光纖通信的三個低損耗窗口 (即850nm 1310 nm 1550nm )中實現單光子探測。在通信的這三個窗口， 單光子的能量都在10E-19 j量級，達到探測器探測靈敏度的極限。在繼續研 制和開發有更高靈敏度的新型結構的光探測器的同時，研究發現和改進APD 的控制驅動技術，用市場上現有的APD也能實現單光子探測。目前世界上成功 實現的量子保密通信系統是靠改進APD控制驅動技術實現的。
在單光子探測中，APD—般是工作在所謂的"門模式"下，門模式的基本 思想是APD的偏置電壓只會在有可能由光子到達的很短的一個時間內高于雪 崩電壓，在其他時間偏置電壓都將低于雪崩電壓。由于APD只有在有可能有光 子到達的時候才會處于工作狀態，因此在其他時間APD的增益系數比較低，產 生的噪聲信號很低，也不會因為噪聲信號導致APD處于死狀態而不能探測真正 的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因為光路信息是已知的， 即光子到達探測器的時間也是可以預測的，所以門控模式的APD在量子保密通 信系統中得到了非常廣泛的應用。
雖然現在對于APD探測的研究已經非常深入，但是沒有非常有效的方法 在信噪比上實現突破，通用的基于門模式的方案一般都是采用提高偏置電壓, 提高雪崩幅度進行比較的方法，信噪比不高，而且后脈沖影響較大。其他的 方案例如雙APD平衡方案等，絕大多數處在實驗試制階段，方案不完整，且 成本較高，僅有少數公司能夠提供基于不同方案的實用的探測電路模塊，但 是電路復雜，體積很大。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足之處，提供一種APD單光子探 測的電路模塊，該電路模塊能夠在窄門脈沖抑制模式下對近紅外單光子探測， 采用電容平衡抑制方式，在很窄的門脈沖情況下，有效的抑制門脈沖產生的 充放電、過沖和振鈴，準確地鑒別出相對而言微弱的雪崩信號，并將其提取 整形輸出。
本發明目的實現由以下技術方案完成
一種APD單光子探測的電路模塊，其特征在于該電路模塊包括輸入信號 處理和門脈沖產生電路、偏壓產生電路、雪崩鑒別電路、數模轉換電路、輸 出信號處理電路，其中輸入信號處理和門脈沖產生電路產生的門控脈沖為窄 脈沖。
所述輸入信號轉換和門脈沖產生電路包括轉換器、與非門、延時芯片、 單穩態電路芯片、微分電路、高速比較器，其中輸入的時鐘信號經過轉換器、 起緩沖和選擇功能的與非門，進入延時芯片進行精密延時后，由單穩態電路 芯片產生一個穩定的初級門控脈沖用于后級短脈沖的產生,經過微分電路后， 在輸出端設置高速比較器，在反向輸入端設置一定的閾值電平，產生窄門脈 沖。
所述雪崩鑒別電路采用的是電容平衡的差分探測方式，該電路包括平衡 電容、差分運算放大器、帶通濾波器、高速的比較器，其中APD產生的信號 和平衡電容產生的信號在高速的差分運算放大器中相減，將雪崩信號提取出 來，經過一個帶通濾波器濾掉高低頻的干擾，由高速的比較器進行鑒別比較 輸出。
本發明的優點是，采用電容平衡差分比較的抑制模式，能夠在很窄的探 測門下實現高信噪比的單光子探測，和同類產品相比，即使在同樣窄的探測 門下，也能獲得很高的信噪比，各部分電路穩定性能可靠，能夠實現對近紅 外波段單光子低噪聲探測，探測效率高，噪聲低，探測時間精度高。


附圖1為本發明電路模塊控制方框附圖2為本發明實施例輸入信號處理電路I示意附圖3為本發明實施例輸入信號處理電路II和門脈沖產生電路示意圖； 附圖4為本發明實施例偏壓產生電路和雪崩鑒別電路示意圖；
具體實施例方式
以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細 說明，以便于同行業技術人員的理解
如圖1-4所示，圖中符號分別為兩個二極管1N4148、轉換器 MC10ELT25D、與非門SN74LS00、延時芯片AD9500、單穩態電路芯片MC10198、 微分電路(R114和C114)、高速比較器AD96685、DC-DC變換電路芯片MAX1932、 數模轉換器DAC714、平衡電容C13、帶通濾波器(C415，R414，R415， C416)。
本實施例由輸入信號處理電路、門脈沖產生電路、偏壓產生電路、雪崩 鑒別電路、數模轉換電路、輸出信號處理電路、溫度控制電路、供電電路、 其他控制電路等組成。由外部產生的時鐘信號在信號處理電路中轉換成ECL 信號后，延時，整形，微分后經過比較器產生一定幅度和寬度的窄脈沖；偏 壓產生電路產生APD門模式工作時所需的反偏壓；雪崩鑒別電路利用電容平 衡的差分探測方式，能夠有效抑制門脈沖產生的尖峰噪聲，把雪崩信號提取 出來，經過鑒別，將計數脈沖輸出。
以下為各部分電路的詳細說明
輸入信號處理和門脈沖產生電路中，輸入的時鐘信號可以使用NIM電平 或TTL電平標準，兩個二極管1N4148起限幅作用，兼容50Q輸入阻抗， MC10ELT25D是差分ECL轉TTL的轉換器，輸入的NIM時鐘轉成ECL時鐘，經 過轉換器MC10ELT25D轉成TTL，與非門SN74LS00起緩沖和選擇功能，輸出 的時鐘進入延時芯片AD9500進行精密延時后由MC10198構建的單穩態電路 芯片產生一個穩定的100ns脈寬的初級門控脈沖用于后級短脈沖的產生，在 輸出端設置一個微分電路，AD96685是一個比較器，在反向輸入端設置一定 的閾值電平，就能夠產生窄門脈沖，經過轉換器MC10ELT25D轉成TTL的門 脈沖。
偏壓產生電路和雪崩鑒別電路采用MAXIM/DALLAS公司的DC-DC變換電 路芯片MAX1932。它能夠提供4.5—90v的電壓輸出，同時具有電流保護功能， 其內部集成8位SPI協議數模轉換器(0. 5%輸出精度)，也可使用外部數模 轉換器得到更高的輸出精度，整個電路也是基于脈沖寬度調制來改變輸出電
壓的大小，輸出電壓反饋端FB固定為1. 25v，由數模轉換器的輸出電壓和FB 端電壓差控制流過R405、 R406的電流，使得R402兩端的壓差改變而調節輸 出電壓。在實際的使用當中，采用變換電路芯片MAX1932可以實現數字調節， 輸出電壓線性可調，可以方便的產生APD所需的偏壓，且紋波控制在很小的 范圍內。
雪崩鑒別電路采用的電容平衡的方式，APD產生的信號和平衡電容C13 產生信號在高速的差分運算放大器AD8351中相減，將雪崩信號提取出來，經 過一個帶通濾波器濾掉高低頻的干擾，由高速的比較器AD96685進行鑒別比
數模轉換電路的作用是將數字量轉化成模擬量，能夠用數控的方式調節 門脈沖寬度，偏壓，制冷器電源輸出等。圖中在對精度要求比較高的偏壓， 制冷器電源控制上采用了 Texas Instruments 16位高精度的D/A轉換器 DAC714U，在對精度要求較低的門脈沖寬度調節上采用了 8位的D/A轉換器 TLV5624，。其余的D/A用于功能拓展，D/A共用地址線，由片選線進行選擇 控制。
輸出信號處理電路中，輸出的信號有分別是TTL和NIM標準的CLK和 DATA,用D觸發器芯片MC10ELT31D構成RS觸發器，將光子計數信號和初級 門控脈沖進行"與"的功能，屏蔽在門控脈沖時間外的暗計數，觸發器輸出 經過轉換器MC10ELT25D轉成TTL信號，由三態收發器MC74AC245DW提高帶 動能力輸出為Data (TTL)，另一路先通過與門、與非門MC10EP05DR2起緩沖 和隔離的作用，然后經過由兩個三極管組成的差分輸出電路轉成DATA (NIM) 輸出。對時鐘的處理也是類似，經過三態收發器MC74AC245DW轉成50歐姆 輸出，另一路經過轉換器MC10ELT24D轉成ECL信號，由差分輸出電路轉成 CLK (NIM)輸出。
供電電路
主要的電源需求+5V, -5.2V, +12V， -12V，其中+5V， -5.2V可以由外 部的開關電源供給，十12V和-12V的電流需求不大，用圖中的DC—DC變換 芯片MAX742將+5V轉成+12V和-12V，考慮到外部控制電路的電源需求，用 線性電源模塊LU117設置1. 2V，+1. 8V，+2. 5V，對于功率需求相對較大+3. V 采用線性穩壓塊Ltl085，這樣可以滿足絕大多數外部MCU的供電需求。 溫度控制電路
溫度的檢測可以通過熱敏電阻來反饋，用電橋可以把熱敏電阻阻值的變 化經過放大轉成電壓值，通過外部算法再反饋一個電壓值控制制冷器或加熱 器改變APD的溫度，U306的運放構成射級跟隨器，提高輸出電壓的帶動能力， 這個反饋值的后級可以解專用的4-20mA溫控模塊。
通常用于門脈沖探測電路的探測門寬度通常在數納秒到數十納秒之間， 其中門寬越窄，探測性能越好，性噪比越高，本實施例的門寬可以做到2納 秒以下。
本實施例需要的其他模塊，包括時鐘源、單光子源、供電模塊，制冷器， 制冷器電源和對APD工作參數進行調整的控制模塊。開關電源為整個模塊供 電，制冷器有專門的供電電源。
系統正常工作時，外部時鐘源提供時鐘信號一路作為單光子源的觸發信 號， 一路作為本實施例的時鐘基準。時鐘輸入后經過電平轉換，產生初級門 控脈沖；溫度檢測模塊將APD的實時溫度反饋回來，在外部MCU控制模塊中 進行運算轉換后，通過模塊引出的10線對數模轉換電路中的D/A控制，控制 溫度反饋端的電壓，改變制冷器的輸出功率，以達到改變(穩定)APD工作 溫度的效果。同時外部MCU控制模塊控制其他兩塊D/A，分別調整偏壓模塊 的電壓輸出和短門脈沖的寬度。手動調節設置好電容平衡和鑒別電平，就可 以開始對單光子進行檢測計數了。通過MCU控制模塊控制延時量的大小，使 門脈沖開啟的時間和光子到達的時間同步，APD就會在光子的激發下產生雪 崩信號，經過電容平衡模塊抵消尖峰脈沖，提取出雪崩脈沖，經過鑒別，整 形，轉成數字信號輸出，就可以完成對單光子計數的功能。
實例中+5V，-5V開關電源可以使用leatonk20—5D型AC-DC開關電源； 制冷器電源選擇4-20mA可調電源；制冷器可根據需要選用多極半導體制冷 塊；時鐘源可選用信號發生器，如Agilent 33250A;單光子源為準單光 子源，可在半導體激光器后加衰減器衰減到單光子水平。
權利要求
1.一種APD單光子探測的電路模塊，其特征在于該電路模塊包括輸入信號處理電路和門脈沖產生電路、偏壓產生電路、雪崩鑒別電路、數模轉換電路、輸出信號處理電路，其中輸入信號處理和門脈沖產生電路產生的門控脈沖為窄脈沖。
2. 根據權利要求1所述的一種APD單光子探測的電路模塊，其特征在于所 述輸入信號處理和門脈沖產生電路包括轉換器、與非門、延時芯片、單 穩態電路芯片、微分電路、高速比較器，其中輸入的時鐘信號經過轉換 器、起緩沖和選擇功能的與非門，進入延時芯片進行精密延時后，由單 穩態電路芯片產生一個穩定的初級門控脈沖用于后級短脈沖的產生，經 過微分電路后，在輸出端設置高速比較器，在高速比較器的反向輸入端 設置一定的閾值電平，產生窄門脈沖。
3. 根據權利要求1所述的一種APD單光子探測的電路模塊，其特征在于所 述雪崩鑒別電路采用的是電容平衡的差分探測方式，該電路包括平衡電 容、差分運算放大器、帶通濾波器、高速的比較器，其中APD產生的信 號和平衡電容產生的信號在高速的差分運算放大器中相減，將雪崩信號 提取出來，經過一個帶通濾波器濾掉高低頻的干擾，由高速的比較器進 行鑒別比較輸出。
全文摘要
本發明涉及量子保密通信類，具體涉及一種APD單光子探測的電路模塊，該電路模塊包括輸入信號處理和門脈沖產生電路、偏壓產生電路、雪崩鑒別電路、數模轉換電路、輸出信號處理電路，其中輸入信號處理和門脈沖產生電路產生的門控脈沖為窄脈沖，其優點是，采用電容平衡差分比較的抑制模式，能夠在很窄的探測門下實現高信噪比的單光子探測，即使在同樣窄的探測門下，也能獲得很高的信噪比，各部分電路穩定性能可靠，能夠實現對近紅外波段單光子低噪聲探測，探測效率高，噪聲低，探測時間精度高。
文檔編號H04B10/08GK101170362SQ20071004796
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年11月8日
發明者光 吳, 曾和平, 許黎霖 申請人:華東師范大學