一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统技术方案

一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统，包括时钟信号源、时钟扇出模块、延时芯片、ADC模块、系统控制与数据处理模块、门控产生模块、APD前端模拟调理模块，ADC模块在延时后的同步时钟下对APD调理模块的输出进行采样，通过相关采样和延时扫描电路，可以自动抵消门控带来的尖峰噪声，提取有效光子雪崩信号。与现有技术相比，本发明专利技术通过相关采样和延时扫描的办法，可以自动抵消尖峰噪声，不仅可以实现数字化提取雪崩信号，而且可以抵消由于环境温漂以及门控变化引起的APD输出信号变化，提高APD的门控变频能力，使得雪崩信号的提取稳定可靠，探测效率维持稳定，且无需反复标定或校准，具有简单，高效，稳定的特点。稳定的特点。稳定的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统


[0001]本专利技术涉及应用于量子通信领域的单光子探测器，也可应用于基于雪崩二极管APD的传统光通信中使用门控模式的情况，属于单光子级别红外光强检测领域（G01J）和用于量子保密通信核心探测器
（H04K），特别涉及一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统。

技术介绍

[0002]近红外单光子探测可使用工作于门控模式下的InGaAs/InP 雪崩二极管（APD），特别的，包括单光子雪崩二极管SPAD，以实现高效的单光子探测。但是门控工作模式下的APD雪崩信号提取异常困难，因为门控信号幅度较大，会通过APD的二极管结电容耦合产生一个较大的尖峰噪声信号，如何提取雪崩信号，现有技术给出了传统做法：例如使用延时差分，延时符合等基于延时的方法；又例如给出平衡抵消，直接滤波等基于滤波的方法；还有结合延时、平衡和滤波的综合性方法。但是，这些方法具有以下问题：1.基于模拟信号固定延时的方法，无法保证延时和工作频率精确一致，当工作频率发生变化，延时无法改变，产品不仅不具有变频能力，且量产一致性和适用性较差；2.基于平衡抵消的方法，无法保证平衡管和APD管完全一致，任何链路延时、衰减、等效电容的差异，将直接影响平衡抵消的效果；3.基于滤波和结合延时滤波或平衡滤波的方法，均存在滤波不完美性，实际应用中，若频率改变或者脉冲幅度或宽度改变，则会造成滤波输出信号发生很大变化，继而造成雪崩信号提取的基线漂移，轻则影响APD探测效率，重则造成APD雪崩信号提取失败。
[0003]上述这些方法都属于雪崩信号的模拟提取方法，依靠模拟信号延时和模拟电路滤波或模拟电路平衡技术，其本质都是为了提高雪崩模拟信号的信噪比，信噪比至少需要大于1，才有可能通过模拟比较器恢复雪崩信号。实际应用中，信噪比至少需要10：1以上，才能较好的提取雪崩信号，但是具体实现中由于模拟电路的延时不完全一致，滤波不完全匹配，平衡不完全等效的实际困难，最终的噪声仍然会很大，需要通过提高APD高压，来提高信噪比，而这样不但牺牲了探测器的暗计数和后脉冲等技术指标，而且最终的信噪比会随工作条件的变化而发生变化，如环境温度，门控特征（如幅度、宽度、频率等）变化时，APD输出信号波形就会发生改变，雪崩信号的基线就会漂移，继而这些方法的稳定性就会变差，故传统方法不仅无法实现最优的APD暗计数和后脉冲性能，而且其环境适用性也会受到诸多限制，当时使用条件发生变化，还需反复校准标定，使用不方便，性能欠稳定，存在温漂和失效风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统，以解决现有雪崩信号提取技术中：不仅无法实现最优的APD暗计数和后脉冲性能，而且当环境温度，门控特征（如幅度、宽度、频率等）发生变化，还需反复校准标定，使用不方便，性能欠稳
定，存在温漂和失效风险等的技术性缺陷。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统，所述系统包括时钟信号源、时钟扇出模块、延时芯片、ADC模块、系统控制与数据处理模块、门控产生模块、APD前端模拟调理模块，所述时钟信号源连接时钟扇出模块输入端，所述时钟扇出模块输出端分别连接延时芯片以及门控产生模块输入端，所述延时芯片输出端连接ADC模块采样时钟输入端，所述延时芯片控制端连接系统控制与数据处理模块，所述门控产生模块的输出端连接APD前端模拟调理模块输入端，所述APD前端模拟调理模块输处端连接系统控制与数据处理模块，所述ADC模块的输出端连接系统控制与数据处理模块。
[0006]时钟信号源，所述时钟信号源发出同步时钟信号并通过时钟扇出模块将同步时钟一分为二；门控产生模块，所述门控产生模块接收一路同步时钟信号，并产生APD的门控脉冲；延时芯片，另一路时钟信号则作为延时芯片，的输入，延时芯片，根据系统控制与数据处理模块，发出的控制指令对输入时钟信号进行延时后再输出；ADC模块，所述延时芯片的输出连接到ADC模块的采样时钟输入，作为延时后的ADC采样时钟；APD前端模拟调理模块，APD的门控时钟通过APD前端模拟调理模块，后会产生APD信号输出，其中包含尖峰噪声和雪崩信号；ADC模块，ADC对调理后的APD信号数字化后输出的数据接到系统控制与数据处理模块；系统控制与数据处理模块，所述系统控制与数据处理模块，控制延时芯片，并对ADC数据进行数字差分处理，通过延时扫描方法和雪崩信号提取方法，即可得到雪崩信号计数脉冲输出。
[0007]所述系统控制与数据处理模块包括数字差分电路、延时扫描电路、数字比较器以及数字阈值产生电路，所述数字差分电路输入端连接ADC模块的输出端，所述数字差分电路输出端连接数字比较器的输入端，所述数字比较器的另一输入端连接数字阈值产生电路的输入端，所述延时扫描电路的控制端连接延时芯片。
[0008]优选地，所述APD前端模拟调理模块包括APD、超突变可调谐变容二极管、共模抑制模块、模拟信号调理模块，所述APD的输入端同时连接偏置电压HV以及门控产生模块，所述APD的输出端连接共模抑制模块的第一输入端，所述超突变可调谐变容二极管输入端连接偏置电压Vbias以及门控产生模块，所述超突变可调谐变容二极管输出端连接共模抑制模块的第二输入端，所述共模抑制模块的输出端连接模拟信号调理模块的输入端，所述模拟信号调理模块的输出端连接ADC模块输入端。
[0009]优选地，所述延时芯片的延时调节分辨率<20ps。
[0010]与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：1、本专利技术通过相关采样和延时扫描的办法，可以自动抵消尖峰噪声，不仅可以实现数字化提取雪崩信号，而且可以抵消温漂以及门控变化引起的APD输出信号变化，继而可以使抑制探测效率的温漂，提高APD的门控变频能力，使得雪崩信号的提取稳定可靠，探测效率维持稳定，且无需反复标定或校准，具有简单，高效，稳定的特点；2、本专利技术可以恢复淹没于噪声的雪崩信号，实现信噪比<1的信号提取，无需通过提高
APD工作电压来提高信噪比，继而可提高APD的工作性能，如提高APD的探测效率，降低系统的暗计数概率和后脉冲概率；3、相对于直接波形实时数字化采样，该方法利用相关采样，每个尖峰噪声周期内只采集一个点，可以大幅度降低系统对高速采样的要求，其最高采样频率只要达到门控最高频率即可，无需满足Nyquist采样定理要求的大于两倍信号带宽，可大大降低模数转换电路的成本和系统设计复杂度。
[0011]4、本专利技术在APD前端模拟调理模块中使用了超突变可调谐变容二极管来初步平衡抵消APD结电容带来的噪声，以满足ADC输入范围的限制，可以弥补实际量产中，现有技术对普通二极管的结电容变化范围的苛刻要求，即使APD的结电容和系统的寄生电容在量产时具有较大涨落，也可以很好的实现平衡抵消，满足后端ADC的输入范围的要求。
附图说明
[0012]图1为同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统的原理框图；图2为相关采样数字差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步相关采样的APD数字化雪崩信号提取系统，所述系统包括时钟信号源（100）、时钟扇出模块（200）、延时芯片（300）、ADC模块（400）、系统控制与数据处理模块（500）、门控产生模块（600）、APD前端模拟调理模块（700），所述时钟信号源（100）连接时钟扇出模块（200）输入端，所述时钟扇出模块（200）输出端分别连接延时芯片（300）以及门控产生模块（600）输入端，所述延时芯片（300）输出端连接ADC模块（400）采样时钟输入端，所述延时芯片（300）控制端连接系统控制与数据处理模块（500），所述门控产生模块（600）的输出端连接APD前端模拟调理模块（700）输入端，所述APD前端模拟调理模块（700）输处端连接系统控制与数据处理模块（500），所述ADC模块（400）的输出端连接系统控制与数据处理模块（500），时钟信号源（100），所述时钟信号源（100）发出同步时钟信号并通过时钟扇出模块（200）将同步时钟一分为二；门控产生模块（600），所述门控产生模块接收一路同步时钟信号，并产生APD的门控脉冲；延时芯片（300），另一路时钟信号则作为延时芯片（300）的输入，延时芯片（300）根据系统控制与数据处理模块（500）发出的控制指令对输入时钟信号进行延时后再输出；ADC模块（400），所述延时芯片（300）的输出连接到ADC模块（400）的采样时钟输入，作为延时后的ADC采样时钟；APD前端模拟调理模块（700），APD的门控时钟通过APD前端模拟调理模块（700）后会产生APD信号输出，其中包含尖峰噪声和雪崩信号；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄大骏，席鹏，蒋荻，
申请(专利权)人：浙江九州量子信息技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：