本發(fā)明屬于超導(dǎo)單光子探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗背散射超導(dǎo)單光子探測器。

背景技術(shù)：

單光子探測器是量子信息領(lǐng)域的關(guān)健技術(shù)，是實現(xiàn)對單量子態(tài)進(jìn)行操控、處理和研究的基本技術(shù)手段。超導(dǎo)納米線單光子檢測器是一種利用超導(dǎo)納米線條進(jìn)行光子檢測的高靈敏探測器。探測器通過激光器向遠(yuǎn)距離目標(biāo)發(fā)射光子，探測器的感光部分為薄膜納米線結(jié)構(gòu)，工作時納米線上的電流被偏置在稍低于臨界電流的位置。當(dāng)納米線吸收光子后，吸收區(qū)域的超導(dǎo)態(tài)被短時破壞，隨后能自動恢復(fù)到超導(dǎo)狀態(tài)。在電路上表現(xiàn)為快速上升、隨后指數(shù)衰減的電脈沖。通過將此脈沖信號放大，我們就可以鑒別出單光子。

傳統(tǒng)的超導(dǎo)單光子探測器在激光測距應(yīng)用中測量地面目標(biāo)時，在近距離內(nèi)會面臨背光致盲問題，即約30km以內(nèi)的大氣微粒會散射激光束，當(dāng)過多散射的光粒子沿原路徑返回被探測系統(tǒng)捕捉到后，會使得超導(dǎo)探測芯片一直處于失超狀態(tài)，從而使探測器工作受阻，這種現(xiàn)象稱為探測器背光致盲。當(dāng)大氣中的微粒過多、背散射很強時，背光致盲問題便出現(xiàn)了。背光致盲問題嚴(yán)重阻礙了超導(dǎo)單光子探測器在大氣層內(nèi)的激光雷達(dá)的應(yīng)用，制約了探測器進(jìn)一步發(fā)展。

現(xiàn)有的光學(xué)上提出解決背光致盲問題的方法是在探測器接收端使用高頻率光開關(guān)，即一種電磁波衰減器。但是光開關(guān)存在的問題是，光開關(guān)關(guān)閉時對入射光的衰減最大只有10倍，仍會導(dǎo)致致盲問題；在光開關(guān)開啟時，對入射光仍存在一定程度衰減，不符合探測器工作要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的探測器背光致盲問題，本發(fā)明提供一種抗背散射超導(dǎo)單光子探測器。

技術(shù)方案：一種抗背散射超導(dǎo)單光子探測器，其特征在于，包括時鐘信號生成模塊、激光器、門控源表及納米線芯片，所述門控源表包括數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和負(fù)載電阻，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端通過負(fù)載電阻連接納米線芯片；所述時鐘信號生成模塊用于為激光器和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供pwm波信號；所述激光器用于發(fā)射光子，所述納米線芯片用于接收光子；所述門控源表用于控制納米線芯片工作。

進(jìn)一步的，所述時鐘信號生成模塊包括第一輸出端口、第二輸出端口和第三輸出端口；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的控制端口包括第五引腳、第六引腳和第七引腳，第七引腳用于串行數(shù)據(jù)輸入，第六引腳用于串行時鐘輸入，第五引腳用于輸入數(shù)據(jù)幀同步信號；時鐘信號生成模塊的第一輸出端口輸出常高電平，連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第六引腳；時鐘信號生成模塊的第二輸出端口輸出常低電平，連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第五引腳；時鐘信號生成模塊的第三輸出端口輸出pwm波及串行數(shù)據(jù)，連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第七引腳；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端口包括第三引腳和第四引腳，第四引腳連接所述負(fù)載電阻，第三引腳置空。

進(jìn)一步的，所述pwm波為高電平時，時鐘信號生成模塊的第三輸出端口同時向數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第七引腳輸入串行數(shù)據(jù)；pwm波為低電平時，時鐘信號生成模塊的第三輸出端口同時向數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第七引腳輸入0。

進(jìn)一步的，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用串行數(shù)據(jù)輸入的工作方式，所述串行數(shù)據(jù)為24位數(shù)據(jù)，其中前8位為控制信號，后16位決定輸出電壓的電平值，所述輸出電壓用于驅(qū)動所述納米線芯片。

進(jìn)一步的，所述pwm波信號的周期為1ms，令pwm波信號的占空比為t，80％＜t＜99％。

進(jìn)一步的，所述時鐘信號生成模塊包括fpga。

進(jìn)一步的，所述激光器的觸發(fā)方式為外部時鐘下降沿觸發(fā)。

進(jìn)一步的，所述納米線芯片的工作方式為pwm波高電平時，芯片正常工作；pwm波低電平時，芯片停止工作。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種抗背散射超導(dǎo)單光子探測器，通過門控源表給納米線芯片供電，通過pwm波信號觸發(fā)激光器，同時通過pwm波信號控制納米線的非工作時間，將光子發(fā)射和接收在時間上分開來，在光子發(fā)射和接收兩步操作間留出一段閑置時間，屏蔽近距離內(nèi)的反射光子，使得光子接收不會受近距離反射光子的影響，有效解決了超導(dǎo)納米線單光子探測器背光致盲問題。通過調(diào)節(jié)pwm波的占空比，進(jìn)一步調(diào)節(jié)納米線芯片的非工作時間，以滿足屏蔽不同距離內(nèi)反射光子的需要。本發(fā)明避免了現(xiàn)有技術(shù)采用電磁波衰減器帶來的處理不徹底仍導(dǎo)致致盲的問題；也不會對發(fā)射光子進(jìn)行衰減，使發(fā)射光子依然滿足探測器的工作要求。本發(fā)明可以將超導(dǎo)納米線單光子探測器的應(yīng)用擴展到濃霧等強背散射環(huán)境下激光測距和激光雷達(dá)應(yīng)用，提高了探測器在大氣層內(nèi)使用的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明抗背散射超導(dǎo)單光子探測器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的工作時序圖；

圖3為本發(fā)明中門控源表部分的電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，抗背散射超導(dǎo)單光子探測器包括時鐘信號生成模塊、激光器、門控源表及納米線芯片，所述門控源表包括數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和負(fù)載電阻，本實施例中采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的型號為dac8552，當(dāng)然也可以采用其他型號的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac的輸出端通過負(fù)載電阻連接納米線芯片；所述時鐘信號生成模塊用于為激光器和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供pwm波信號。所述激光器用于向被測物體1發(fā)射光子，發(fā)射光子的方向為a方向；所述納米線芯片用于接收光子，接受光子的方向為b方向。

所述門控源表控制納米線芯片的原理就是將光子發(fā)射和接收在時間上分開來，在光子發(fā)射和接收兩步操作間留出可調(diào)的閑置時間，這樣就可以有效屏蔽一定范圍內(nèi)的反射光子。不妨設(shè)閑置時間為t*，根據(jù)距離與時間、速度的關(guān)系：

s＝ct*(1)

式(1)中，s為光子從發(fā)射到接受來回的距離，c為光速。如果我們要屏蔽與探測器距離為d的所有反射光子，則：

由式(1)、式(2)可知，如果要屏蔽1.5～30km以內(nèi)的反射光子，則閑置時間的計算見式(3)：

計算得到t*為10～200μs。也就是說，在發(fā)射光子和接收光子兩步操作之間設(shè)置10～200μs閑置時間，就可以有效屏蔽1.5～30km以內(nèi)的反射光子。

由閑置時間為10～200μs，可以進(jìn)一步推算出pwm波信號的占空比t的選取范圍為：80％＜t＜99％。

時鐘信號生成模塊在本實施例中采用主頻為100mhz的fpga，基準(zhǔn)時鐘信號為10ns。由fpga生成pwm波，通過代碼就可以設(shè)置pwm波的占空比。如圖2所示，圖中未畫出整個fpga，只畫出了fpga的輸出接口部分p2(p3為可短路雙排針)，fpga的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac的控制端口連接，具體的連接關(guān)系為：圖中p2為6根排針；圖中p3為8根排針(其中，1，2針短路；3，4針短路；5，6針短路；7，8針短路)。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac的控制端口包括第七引腳din、第六引腳sclk和第五引腳sync，第七引腳din用于串行數(shù)據(jù)輸入，第六引腳sclk用于串行時鐘輸入，第五引腳sync用于輸入數(shù)據(jù)幀同步信號；fpga的輸出端口包括第一輸出端口、第二輸出端口、第三輸出端口。fpga的第一輸出端口連接圖中p2的5腳(圖中未示出)，輸出常高電平，進(jìn)而連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第六引腳sclk；fpga的第二輸出端口連接圖中p2的3腳(圖中未示出)，輸出常低電平，進(jìn)而連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第五引腳sync；fpga的第三輸出端口連接圖中p2的4腳(圖中未示出)，輸出pwm波及24位串行數(shù)據(jù)，進(jìn)而連接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的第七引腳din。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac的輸出端口包括第三引腳voutb和第四引腳vouta這兩個輸出端口供選擇，這里我們選用第四引腳vouta連接所述負(fù)載電阻(圖中未示出)，負(fù)載電阻取值為100kω，負(fù)載電阻串聯(lián)在第四引腳vouta及納米線芯片之間，輸出電壓通過負(fù)載電阻控制納米線芯片工作，第三引腳voutb置空。圖中ref6125產(chǎn)生2.5v的基準(zhǔn)電壓從5、6引腳引出，提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac。

dac的三個控制端口包括第七引腳din、第六引腳sclk和第五引腳sync，這三個控制端口的作用分別是串行數(shù)據(jù)輸入、串行時鐘輸入、輸入數(shù)據(jù)幀同步信號。串行數(shù)據(jù)輸入(從第七引腳din輸入)的是24位數(shù)據(jù)，其中前8位為控制信號，后16位為數(shù)據(jù)，該16位數(shù)據(jù)就是控制數(shù)模輸出電壓的電平值。納米線芯片的觸發(fā)方式為高電平觸發(fā)，高電平納米線芯片工作，低電平納米線芯片不工作。當(dāng)?shù)谄咭_din輸入的pwm波為高電平時，同時fpga將24位數(shù)據(jù)輸入第七引腳din，dac正常工作，輸出電壓控制納米線芯片工作；當(dāng)?shù)谄咭_din輸入的pwm波為低電平時，則dac輸出為0，納米線芯片不工作。

探測器發(fā)射光子的裝置為脈沖式激光器，激光脈寬為皮秒至納秒量級，可設(shè)置外觸發(fā)工作模式，下降沿觸發(fā)，即外部時鐘下降沿到達(dá)時，激光器發(fā)出極窄的激光脈沖，工作周期可調(diào)。本實施例設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為1khz，即工作周期為1毫秒，采用外部時鐘統(tǒng)一觸發(fā)。時鐘信號、激光器、門控源表工作時序圖如圖3所示，最上面的時序是1khz的時鐘信號；中間一條是激光器，脈寬很窄，與閑置時間、工作周期相比脈寬可忽略不計；最下面一條是門控源表工作時序圖。由fpga生成的pwm波信號的周期為1ms，可以通過代碼設(shè)置pwm波的占空比。比如，設(shè)置占空比為90％，則pwm波高電平時間為900μs，低電平為100μs，我們把這種pwm波同時輸入到激光器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器adc的第七端口din端口，當(dāng)下降沿到達(dá)時，激光器瞬間發(fā)出脈沖，而在此后100μs內(nèi)第七端口din端口為低電平，dac輸出電壓為0，納米線芯片不工作。接下來的900μs內(nèi)，pwm波為高電平，同時fpga輸入24位數(shù)據(jù)，dac輸出相應(yīng)電壓，納米線芯片處于工作狀態(tài)。(在這個過程中，dac的第六端口sclk一直處于高電平，第五端口sync一直處于低電平，由fpga控制，我們實際上只改變了dac的第七端口din這一個端口的輸入狀態(tài))這就實現(xiàn)了納米線芯片不工作的100μs閑置時間。

此外，為了滿足屏蔽不同距離內(nèi)反射光子的需求，閑置時間可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的方法實際上就是控制fpga產(chǎn)生的pwm波信號的占空比。閑置時間即為低電平時間，而調(diào)節(jié)占空比的大小可以通過代碼實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)占空比80％＜t＜99％即可設(shè)置10～200μs閑置時間，就可以有效屏蔽1.5～30km以內(nèi)的反射光子。