一种基于单光子的时间传递探测器制造技术

本申请提供一种基于单光子的时间传递探测器，包含：单光子雪崩二极管探测器、温度敏感器、偏压控制器、门控器、高速比较控制器、线路接收器；单光子雪崩二极管探测器，用于接收输入的单光子激光信号；温度敏感器，用于测量时间传递探测器所处的环境温度；偏压控制器用于根据环境温度输出电压偏差补偿至单光子雪崩二极管探测器；门控器，用于接收外部TTL时钟信号，并调控单光子雪崩二极管探测器输出的单光子信号的时间分辨率；高速比较控制器，与单光子雪崩二极管探测器和门控器连接，输出带有时钟信息的单光子到达时间信号；线路接收器，将单光子到达时间信号转换为PECL/LVDS信号输出。本实用新型专利技术根据环境温度变化进行实时偏压控制，提高测量精度。提高测量精度。提高测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单光子的时间传递探测器


[0001]本申请涉及单光子时间传递和测距
，尤其涉及一种基于单光子的时间传递探测器。

技术介绍

[0002]现阶段，基于无线电技术的远程时间传递精度已无法满足部分应用
的需求，当时间频率调制解调技术与激光单光子技术相结合时，由于激光光束优异的指向性和低发散特性，接收端信号质量获得大幅提升，进而提升时频传递精度。
[0003]近年来，单光子探测技术在量子保密通信、量子计算、人工智能、军事探测等多个领域展现了广阔的应用前景，使得单光子探测器成为当下的一个研究热点。光子探测器是一类把光辐射信号转变为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应，主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温，遇到高温等复杂环境的应用场景，会因为噪声过大出现探测精度和效率低下，对系统性能带来极大影响。目前，常见的解决方案是给光子探测器增加冷却系统，但这样会导致整个系统尺寸和成本的增加。

技术实现思路

[0004]本技术实施例采用25/40微米单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)作为探测源，并且加入门控电路设计，充分考虑空间环境等温度变化恶劣条件下的工作状态，实现
‑
55to+60C温度测量输出电压偏压补偿，保证长期高稳定度、高时间分辨率探测输出，提升系统的探测效率和探测精度。
[0005]本申请提供一种基于单光子的时间传递探测器，所述探测器包括：单光子雪崩二极管探测器、温度敏感器、偏压控制器、门控器、高速比较控制器、线路接收器；
[0006]单光子雪崩二极管探测器，输入端与偏压控制器连接，输出端与高速比较控制器连接；用于接收输入的单光子激光信号，并将所述单光子激光信号转化成电信号；
[0007]温度敏感器，输出端与偏压控制器连接；用于根据接收的探针信号测量时间传递探测器所处的环境温度；
[0008]偏压控制器，输入端与温度敏感器连接，输出端与单光子雪崩二极管探测器连接；用于接收外部电源信号，并根据温度敏感器检测的环境温度输出电压偏差补偿至单光子雪崩二极管探测器；
[0009]门控器，输出端与高速比较控制器连接；用于接收外部TTL时钟信号，并调控单光子雪崩二极管探测器输出的单光子信号的时间分辨率；
[0010]高速比较控制器，输入端与单光子雪崩二极管探测器、门控器连接，输出电压偏差补偿后的带有时钟信息的单光子到达时间信号；
[0011]线路接收器，输入端与高速比较控制器连接，将单光子到达时间信号转换成正射极耦合逻辑电平信号/低电压差分信号作为所述时间传递探测器的最终输出信号。
[0012]优选的，所述偏压控制器内部有电源稳定器，所述电源稳定器为所述偏压控制器提供稳定的3.3V电压。
[0013]本技术在激光单光子探测时，通过测量环境温度，来补偿对单光子信号传递的误差，从而最终提高光子到达时间测量精度。
附图说明
[0014]为了更简单说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本申请实施例提供的一种基于单光子的时间传递探测器的结构示意图；
[0016]图2为本申请实施例提供的SPAD芯片输出电压与温度变化关系图；
[0017]图3为本申请实施例提供的偏压控制器的结构示意图；
[0018]图4为本申请实施例提供的高速比较控制器的结构示意图。
具体实施方式
[0019]为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0020]本技术实施例采用25/40微米单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)作为探测源，并且加入门控电路设计，充分考虑空间环境等温度变化恶劣条件下的工作状态，实现
‑
55to+60摄氏度温度测量输出偏差补偿，保证高长期稳定度、高时间分辨率探测输出，提升单光子时间传递探测器的探测效率和探测精度。
[0021]本技术实施例提出的一种基于单光子的时间传递探测器通过基座与飞行器或测量目标固定，测量激光入射角小于120度，需连接本地时频信号输入。整体尺寸在几十毫米级，其中的SPAD有效直径在几十微米级，工作温度为
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60～60摄氏度，长期稳定度优于1皮秒/小时，时间分辨率优于30皮秒rms，温度漂移小于1皮秒/度(k)，暗计数率(Dark count rate，DCR)＜30kHz@25摄氏度，门控(gate)速率为1kHz，温度敏感器1mV/K。输出信号为NIM/PECL(Positive Emitter Coupled Logic，PECL)/LVDS(Low
‑
Voltage Differential Signaling，LVDS)。探测器用广角光学组件增加视场角，采用殷钢/碳纤维外封装。
[0022]图1为本申请实施例提供的一种基于单光子的时间传递探测器结构示意图，包括以下电路：
[0023]单光子雪崩二极管探测器110，输入端与偏压控制器连接，输出端与高速比较控制器连接；用于接收输入的单光子激光信号，并将单光子激光信号转化成电信号。
[0024]其中，包含一种SPAD芯片，是在激光通信中使用的光敏元件。该SPAD芯片在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P
‑
N结上加上反向偏压，使射入的光被P
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N结吸收后会形成光电流。
[0025]温度敏感器120，输出端与偏压控制器连接；用于根据接收的探针信号测量单光子测距探测器所处的环境温度。
[0026]偏压控制器130，输入端与温度敏感器连接，输出端与单光子雪崩二极管探测器连接；用于接收外部电源信号，并根据温度敏感器检测的环境温度输出电压偏差补偿至单光子雪崩二极管探测器。
[0027]偏差控制器内部有电源稳定器，电源稳定器为偏差控制器提供稳定的3.3V电压。
[0028]在一个实施例中，偏压控制器针对环境温度变化进行实时偏压控制，实现高稳定度测量工作，温度漂移小于1皮秒/度(k)，且采用门控电路控制信号输出，时间分辨率优于30皮秒rms，满足高精度测距应用场景。
[0029]门控器140，输出端与高速比较控制器连接；用于接收外部TTL时钟信号，并调控单光子雪崩二极管探测器输出的单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子的时间传递探测器，其特征在于，包括：单光子雪崩二极管探测器、温度敏感器、偏压控制器、门控器、高速比较控制器、线路接收器；单光子雪崩二极管探测器，输入端与偏压控制器连接，输出端与高速比较控制器连接；用于接收输入的单光子激光信号，并将所述单光子激光信号转化成电信号；温度敏感器，输出端与偏压控制器连接；用于根据接收的探针信号测量时间传递探测器所处的环境温度；偏压控制器，输入端与温度敏感器连接，输出端与单光子雪崩二极管探测器连接；用于接收外部电源信号，并根据温度敏感器检测的环境温度输出电压偏差补偿至单光子雪崩...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鼎，田芙蓉，
申请(专利权)人：华印世纪北京文化发展有限公司，
类型：新型
国别省市：