專利名稱：Apd單光子探測器雪崩信號的提取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及量子密碼通信類，特別是涉及一種單光子檢測技術中的雪崩二極管(APD)雪崩信號的提取方法。
背景技術：
量子密碼通信技術是由物理學海森伯不確定性原理決定了其完全保密的特性，是基于光量子的通信，密碼信息加載于單光子上，并由單光子進行傳輸，未知量子態(tài)是不可克隆的，測量量子會改變量子態(tài)，這樣竊聽者就不可能竊聽信息而不被發(fā)現(xiàn)。在量子保密通信中，單光子探測有非常重要的作用，用于單光子探測器的光信號檢測和放大器件主要有光電倍增管和雪崩光電二極管，光電倍增管在光纖通信波長范圍內(nèi)量子效率低、噪聲大、暗電流大，而雪崩光電二極管與其相反，具有量子探測效率高、噪聲小、暗電流小等優(yōu)點，使雪崩光電二極管在量子密碼通信系統(tǒng)中逐步取代了光電倍增管，但是，由于雪崩光電二極管本身存在分布電容和結(jié)電容，這些電容的存在會在門控信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生微分干擾脈沖，如何從微分干擾脈沖中提取雪崩信號，已成為單光子探測技術中的一大難點；另外APD發(fā)生雪崩后的雪崩二極管本征恢復時間太長，成為影響探測器速度、提高量子密碼通訊傳輸速率的瓶頸。如何在獲得光脈沖信號后縮短雪崩信號的恢復時間就成為單光子探測的另一急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種速度快、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性大、實驗參數(shù)范圍廣，輸出信號能適應不同脈沖寬度要求的APD單光子探測器雪崩信號的提取方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案為一種APD單光子探測器雪崩信號的提取方法，該方法包括以下步驟(一)將觸發(fā)信號經(jīng)過一個觸發(fā)延遲單元后一部分送到門控脈沖控制單元，另一部分則經(jīng)過計數(shù)延遲單元、計數(shù)控制單元后輸入觸發(fā)器，門控脈沖控制單元將所輸入信號的脈沖寬度調(diào)制到一定的寬度值后再加到APD的陰極使APD進入光觸發(fā)等待狀態(tài)，然后從APD陽極進行電流取樣作為獲取的原始信號；(二)將從APD陽極所獲取的原始信號送到比較器，在比較器中與比較器中所設定的鑒別電壓進行比較，濾除弱干擾信號，并將保留的信號轉(zhuǎn)換成TTL信號也輸入觸發(fā)器作為觸發(fā)器的時鐘；(三)觸發(fā)器在兩路信號的觸發(fā)下完成APD雪崩信號的脈沖提??；(四)上述提取的脈沖的一部分反饋到死區(qū)時間控制單元，在此死區(qū)時間控制單元內(nèi)形成高電平控制信號分別送到門控脈沖單元和計數(shù)控制單元，使門控脈沖控制單元與計數(shù)控制單元在一定控制的時間段內(nèi)關閉，在死區(qū)時間控制信號消失后，門控脈沖控制單元與計數(shù)控制單元恢復正常，所述脈沖的另一部分從觸發(fā)器的輸出端輸出信號同時經(jīng)過輸出寬度控制單元整形后輸出一個脈寬可控的脈沖信號，該信號就是最終經(jīng)過整形的單光子雪崩信號。
進一步，在所述步驟(四)中，所述提取的脈沖的一部分通過一開關控制單元后反饋到死區(qū)時間控制單元。
進一步，所述觸發(fā)延遲單元是一可控延遲電路單元。
上述方法以門控的方式避開APD節(jié)電容所產(chǎn)生的微分信號，獲得真實的光脈沖信號，并且一旦獲得了光脈沖信號，立即執(zhí)行雪崩二極管抑制，縮短了雪崩信號的恢復總時間，速度快，抗干擾能力強，靈活性大，實驗參數(shù)范圍廣，并且上述方法的輸出信號能適應不同脈沖寬度的要求。


附圖1為本發(fā)明APD雪崩信號提取的原理示意圖；附圖2為APD雪崩信號提取的時序圖；附圖3為APD雪崩信號有源抑制時序圖；附圖4為APD雪崩信號時間分析圖；附圖5為APD雪崩信號提取的實施例電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明APD單光子探測器雪崩信號的提取方法包括下述過程如圖1所示，觸發(fā)信號A經(jīng)過一個觸發(fā)延遲單元1，該觸發(fā)延遲單元1是一可控延遲電路單元，能夠?qū)⒂|發(fā)信號延遲一個設定時間后一部分送到門控脈沖控制單元2，另一部分則經(jīng)過計數(shù)延遲單元5、計數(shù)控制單元6經(jīng)過兩次延時且經(jīng)過寬度調(diào)制得到TTL信號后輸入觸發(fā)器4，該延時的目的是控制門控信號和產(chǎn)生單光子信號的激光器同步工作，門控脈沖單元2將其輸入信號的脈沖寬度調(diào)制到一定的寬度值(可人為調(diào)節(jié))，再加到APD的陰極使APD進入光觸發(fā)等待狀態(tài)，從APD陽極進行電流取樣作為獲取信號，該信號將包含由門控脈沖信號、APD分布電容和結(jié)電容所引起的微分信號以及期望獲得的單光子觸發(fā)的雪崩信號，將從APD陽極所獲取的信號送到比較器3，在比較器3中與比較器3中所設定的鑒別電壓進行比較，該鑒別電壓可人為調(diào)節(jié)，以濾除弱干擾信號，并將保留的信號轉(zhuǎn)換成TTL信號也輸入觸發(fā)器4作為觸發(fā)器4的時鐘；觸發(fā)器4在兩路信號的觸發(fā)下完成了APD雪崩信號的脈沖提取，該脈沖的一部分通過一開關控制單元8反饋到死區(qū)時間控制單元10，在此死區(qū)時間控制單元10內(nèi)形成高電平控制信號分別送到門控脈沖單元2和計數(shù)控制單元6，使門控脈沖控制單元2與計數(shù)控制單元6在一定控制的時間段內(nèi)關閉，在死區(qū)時間控制信號消失后，門控脈沖控制單元2與計數(shù)控制單元6恢復正常。所述脈沖的另一部分從觸發(fā)器4的輸出端輸出信號同時經(jīng)過輸出寬度控制單元9整形后輸出一個脈寬可控的脈沖信號，該信號就是最終經(jīng)過整形的單光子雪崩信號，其中觸發(fā)延遲，門控脈沖，計數(shù)延遲，計數(shù)控制，死區(qū)時間，輸出脈寬都可以人為設定。
APD雪崩信號提取的時序如圖2所示，從門控脈沖控制單元2發(fā)出的門控信號作為APD的工作觸發(fā)信號，從雪崩二極管的陽極可獲得原始取樣信號，原始取樣信號中包含了APD雪崩管的分布電容和結(jié)電容所造成的微分干擾信號和單光子雪崩信號，在比較器3內(nèi)原始取樣信號與鑒別電壓相比較，就從原始取樣信號中鑒別出第一微分信號和雪崩信號，并將其轉(zhuǎn)換為TTL電平，然后在計數(shù)延遲單元中將計數(shù)控制信號延遲第一個微分信號的寬度值，來避開第一個微分干擾信號，通過計數(shù)控制單元的寬度調(diào)節(jié)來避開第二個微分干擾信號，這樣形成的計數(shù)控制信號就能在門控信號的有效范圍(是門控信號在第一微分信號之后和第二微分信號之前的高電平期間)內(nèi)來實現(xiàn)比較器輸出信號與計數(shù)控制信號的相與運算，從而捕獲單光子觸發(fā)的雪崩信號，這樣就完成了APD雪崩信號的提取。
APD雪崩信號有源抑制的時序如圖3所示，在門控脈沖信號和計數(shù)控制信號的配合下，觸發(fā)器在雪崩信號的峰值處捕獲到雪崩信號，在該觸發(fā)信號的上升沿觸發(fā)死區(qū)時間控制電路，觸發(fā)的死區(qū)時間控制信號立刻將門控脈沖電路和計數(shù)控制電路關閉，這時門控脈沖信號和計數(shù)控制信號迅速恢復到低電平，停止對雪崩光電二極管的觸發(fā)和對雪崩信號的捕獲，這樣就能使雪崩二極管迅速恢復，在死區(qū)時間控制信號消失后，門控脈沖電路和計數(shù)控制電路就恢復原來狀態(tài)，進入下一測量周期，因而提高雪崩信號的檢測速度。
APD信號時間分析如圖4所示，在原始的信號中，t11是第一個微分信號的時間，t12是第二個微分信號的時間，t1LH是雪崩信號上升階段的時間，t1HL是雪崩信號下降階段的時間，由于雪崩信號的下降時間較長，一般情況下為1us，這成為單光子探測器檢測雪崩信號快慢的瓶頸，而在有源抑制工作方式中可以使雪崩信號的下降時間t1HL＜10ns，這就極大的提高了探測器的速度，由于微分信號是雪崩光電二極管的結(jié)電容和分布電容充放電所造成的，充放電時間可由t＝5RC公式近似計算。在實際電路中放電電阻比充電電阻小的多，故近似計算只考慮充電電阻，結(jié)電容與分布電容值大小為0.3~0.6pF，充電電阻是門控輸出電阻，一般為幾千歐姆，在實際中選擇輸出電阻比較小的器件，這樣就可以使t11和t12小于10ns，調(diào)整雪崩光電二極管的靜態(tài)工作點，就可將雪崩信號的上升時間t1LH＜5ns，而整個信號的時間長度為這四個時間之和，即t＝t11+t12+t1LH+t1HL，由上述可知t＜35ns，一個完整的周期信號還應包括低電平的時間，這樣戶可以完整的周期信號T＜50ns，從而就可以使單光子探測器的探測速度達到20MHz。
如圖5APD雪崩信號提取的電路圖所示，在信號的輸入端使用74F04，74F02非門和或非門構(gòu)成內(nèi)觸發(fā)信號與外觸發(fā)信號選擇開關，經(jīng)選擇開關選擇，觸發(fā)信號A進入觸發(fā)延遲器件DALLAS1023，在數(shù)據(jù)控制端的控制下，將觸發(fā)信號延遲一定時間，經(jīng)過74F02與74F04構(gòu)成的死區(qū)控制開關送到門控脈沖控制器件DALLAS1023，調(diào)制被延遲信號的脈沖寬度，然后經(jīng)C10耦合到APD的陰極，在APD陽極從取樣電阻R5將輸出信號送到8561比較器與鑒別電壓比較后作為觸發(fā)器74F112的時鐘；將U10的6腳信號作為觸發(fā)器的異步清零信號；同時將U10的6腳輸出信號送到計數(shù)控制觸發(fā)延遲DALLAS1023，經(jīng)延遲的信號通過U14構(gòu)成的死區(qū)控制開關送給計數(shù)控制單元DALLAS1023，經(jīng)其調(diào)制的信號作為觸發(fā)器74F112的J輸入信號；從74F112正相輸出的信號一路送到死區(qū)時間控制器件DALLAS1023，經(jīng)其輸出一個死區(qū)時間控制信號，用來控制門控脈沖器件和技術控制器件的開與關。另一路送到TTL輸出控制DALLAS1023，將該信號的寬度調(diào)制到與外接設備相匹配的寬度輸出。
圖中U1，U2，U3，U4是光隔離器件，完成控制單元數(shù)據(jù)與APD數(shù)據(jù)的隔離，減少之間的相互干擾，74LS138與74ALS04將控制信號譯碼為上述DALLAS1023的數(shù)據(jù)鎖存控制信號，配合控制器完成數(shù)據(jù)的鎖存。
權(quán)利要求
1.APD單光子探測器雪崩信號的提取方法，其特征在于該方法包括以下步驟(一)將觸發(fā)信號經(jīng)過一個觸發(fā)延遲單元后一部分送到門控脈沖控制單元，另一部分則經(jīng)過計數(shù)延遲單元、計數(shù)控制單元后輸入觸發(fā)器，門控脈沖控制單元將所輸入信號的脈沖寬度調(diào)制到一定的寬度值后再加到APD的陰極使APD進入光觸發(fā)等待狀態(tài)，然后從APD陽極進行電流取樣作為獲取的原始信號；(二)將從APD陽極所獲取的原始信號送到比較器，在比較器中與比較器中所設定的鑒別電壓進行比較，濾除弱干擾信號，并將保留的信號轉(zhuǎn)換成TTL信號也輸入觸發(fā)器作為觸發(fā)器的時鐘；(三)觸發(fā)器在兩路信號的觸發(fā)下完成APD雪崩信號的脈沖提??；(四)上述提取的脈沖的一部分反饋到死區(qū)時間控制單元，在此死區(qū)時間控制單元內(nèi)形成高電平控制信號分別送到門控脈沖單元和計數(shù)控制單元，使門控脈沖控制單元與計數(shù)控制單元在一定控制的時間段內(nèi)關閉，在死區(qū)時間控制信號消失后，門控脈沖控制單元與計數(shù)控制單元恢復正常，所述脈沖的另一部分從觸發(fā)器的輸出端輸出信號同時經(jīng)過輸出寬度控制單元整形后輸出一個脈寬可控的脈沖信號，該信號就是最終經(jīng)過整形的單光子雪崩信號。
2.如權(quán)利要求1所述的APD單光子探測器雪崩信號的提取方法，其特征在于在所述步驟(四)中，所述提取的脈沖的一部分通過一開關控制單元后反饋到死區(qū)時間控制單元。
3.如權(quán)利要求1所述的APD單光子探測器雪崩信號的提取方法，其特征在于所述觸發(fā)延遲單元是一可控延遲電路單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種APD單光子探測器雪崩信號的提取方法，該方法包括以下步驟首先將觸發(fā)信號經(jīng)過一個觸發(fā)延遲單元后一部分送經(jīng)門控脈沖控制單元后加到APD的陰極，然后從APD陽極進行電流取樣作為獲取的原始信號，另一部分則經(jīng)過計數(shù)延遲單元、計數(shù)控制單元后輸入觸發(fā)器，然后將原始信號送到比較器，經(jīng)比較器后輸入觸發(fā)器作為觸發(fā)器的時鐘；觸發(fā)器在兩路信號的觸發(fā)下完成APD雪崩信號的脈沖提??；上述提取的脈沖的一部分反饋到死區(qū)時間控制單元，另一部分從觸發(fā)器的輸出端輸出信號同時經(jīng)過輸出寬度控制單元后輸出脈寬可控的脈沖信號。上述方法縮短了雪崩信號的恢復總時間，速度快，抗干擾能力強，靈活性大，實驗參數(shù)范圍廣。
文檔編號G01T1/17GK1758037SQ20051012385
公開日2006年4月12日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者孫志斌, 楊捍東, 馬海強, 翟光杰, 吳令安 申請人:中國科學院物理研究所