本发明专利技术揭示了一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，包括依次连接的触发甄别模块、扇出及延时模块、门信号处理模块、单光子雪崩二极管(SPAD)、雪崩信号提取模块、雪崩同步甄别模块、动态死时间处理模块，扇出及延时模块还与雪崩同步甄别模块连接，本发明专利技术解决了现有门控单光子探测器时间抖动较大、雪崩信号提取方案无法分辨失真后的两次雪崩信号、死时间控制方案无法分辨正确雪崩信号和后脉冲信号的问题。后脉冲信号的问题。后脉冲信号的问题。
【技术实现步骤摘要】
用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统和方法
[0001]本专利技术涉及弱光检测
，尤其涉及一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制方法，可应用于弱光探测、单光子探测、量子密钥分配系统等领域。
技术介绍
[0002]基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器的几个关键性能指标为探测效率、暗计数率、后脉冲率以及时间抖动。为降低噪声的影响，获得较好的性能，铟镓砷/铟磷(InGaAs/InP)材料的APD多工作在门控模式下，即APD两端的偏压除直流偏置电压外还有一定宽度的门脉冲信号。理想情况下，门控模式下的单光子探测器仅在门脉冲信号内可探测单光子，门脉冲信号外则无法探测单光子，从而抑制了暗计数和后脉冲的发生，提高了信噪比。
[0003]APD本质上是一种二极管，存在节电容。高频高幅的门脉冲信号会通过APD的结电容耦合到输出端成为门控微分噪声，且幅度往往高于其产生的雪崩信号的幅度，因此在高速门控单光子探测器中常使用滤波器以滤除该门控微分噪声，但由于滤波器在通带内阻抗的不连续性，宽带雪崩信号会被不同程度的展宽，使得雪崩信号发生畸变，这种失真在雪崩信号鉴别中造成更大的时间抖动。此外，在采用滤波器方法的高速门控单光子探测器中，如果连续发生了两次雪崩，其输出信号等于两次冲击响应信号叠加，则会有少量的雪崩提取信号会展宽到相邻的门控时间内，这将错误地记录雪崩信号产生的位置，若应用在量子密钥分配(QKD)系统中，则会造成QKD系统误码升高、原始密钥量降低，严重时通讯双方就无法建立安全可靠的保密通讯。
[0004]雪崩过程中产生的部分载流子由于倍增层中的缺陷和杂质而被捕获，被捕获的载流子会维持一段时间后释放，其释放产生的雪崩称为后脉冲，减小后脉冲对大多数应用来说至关重要。对于低速门控系统，减小后脉冲的有效方法是在单光子雪崩二极管(SPAD)探测到一个光子并产生有效计数后，关断门脉冲信号使加载在SPAD两端的电压降到雪崩电压以下，从而抑制非预期的雪崩，门脉冲信号关断时间定义为死时间。而对于高速正弦门控系统，门脉冲信号无法关断，因此采用的方法是在甄别并输出雪崩信号后的一段时间里，探测器不再统计输出雪崩信号，这段时间定义为逻辑死时间，即逻辑死时间内SPAD仍可正常雪崩。既有的死时间控制方案为固定死时间长度，无法主动区分雪崩信号和后脉冲信号，假设两次有效雪崩时间间隔为T1，且T1＜固定死时间长度DT，而第二次有效雪崩后时间间隔T2处产生一次后脉冲，且(T1+T2)＞固定死时间长度DT，则第二次有效雪崩将被误作为后脉冲被抑制，而第二次有效雪崩后产生的后脉冲会被误作为有效雪崩被统计输出，从而形成一次错误的计数，随着探测效率的提升，这种错误计数的概率也会明显升高。
[0005]单光子探测器在较高的工作频率和较高的探测效率下，探测输出时间抖动以及后脉冲的影响尤为突出，如何有效的降低时间抖动、抑制后脉冲成为提高单光子探测器性能、拓宽单光子探测器应用范围的重要难点。
[0006]此外，基于滤波器方案的高速门控单光子探测器，现有的雪崩信号提取方案无法
分辨失真后的两次雪崩信号，导致光脉冲分布峰值后面跟随错误的雪崩信号分布，降低了单光子探测器的性能。
技术实现思路
[0007]本专利技术所要解决的技术问题是实现一种用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统和方法，以解决现有门控单光子探测器时间抖动较大、雪崩信号提取方案无法分辨失真后的两次雪崩信号、死时间控制方案无法分辨正确雪崩信号和后脉冲信号的问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，包括：
[0009]触发甄别模块：用于甄别门控单光子探测器的触发信号，并输出所甄别的触发信号至扇出及延时模块；
[0010]扇出及延时模块：用于将接收到的触发信号一分为二，两路信号分别经过可编程延时模块处理，一路输出探测器开门信号至门信号处理模块，另一路输出雪崩同步信号至雪崩同步甄别模块
[0011]门信号处理模块：用于产生SPAD的门脉冲信号，输出至SPAD阴极；
[0012]雪崩信号提取模块：连接SPAD阳极，提取SPAD输出的雪崩信号，并输出雪崩提取信号至雪崩同步甄别模块；
[0013]雪崩同步甄别模块：用于接收雪崩提取信号以及雪崩同步信号，并输送至雪崩同步输出信号至动态死时间处理模块；
[0014]动态死时间处理模块：用于向外探测输出。
[0015]所述扇出及延时模块中的延时模块，分别用于调整探测器门脉冲信号与光脉冲信号的相对延时，使探测器门脉冲信号与光脉冲信号对齐以及调整雪崩同步信号与雪崩提取信号的相对延时，完成雪崩的同步甄别输出。
[0016]所述门信号处理模块对探测器开门信号的幅度、脉宽进行调节，并对探测器中对开门信号进行滤波处理，从而产生SPAD的门脉冲信号。
[0017]所述雪崩同步甄别模块在雪崩同步信号的上升沿采样雪崩提取信号，使雪崩同步输出信号位置稳定。
[0018]所述动态死时间处理模块用于对雪崩输出信号做死时间处理，死时间内雪崩信号不会被有效计数及输出，若死时间内出现雪崩输出信号则重新开始计时。
[0019]用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制方法，同步甄别控制方法包括以下步骤：
[0020]单光子探测器发出周期为T的门脉冲信号；
[0021]以延时模块最小步距逐渐增加雪崩同步信号延时，使延时增加的雪崩同步信号靠近雪崩提取信号的稳定区间；
[0022]每增加一次延时则进行一次探测输出计数；
[0023]当探测输出计数接近最大值时，雪崩同步信号接近对齐在雪崩提取信号的稳定区间；
[0024]进行雪崩同步信号延时的微调，使雪崩同步信号与雪崩提取信号的延时对齐；
[0025]经雪崩同步甄别模块后的雪崩同步输出信号位置固定且序号与门脉冲信号序号一致。
[0026]所述雪崩同步信号延时的微调：探测输出信号在示波器上呈现间隔为T的位置晃动并定义为“双线”，缓慢增加延时使探测计数基本保持不变的同时“双线”消失。
[0027]动态死时间控制方法包括以下步骤：
[0028]检测到一次雪崩同步输出信号后输出高电平，并开始进行计时；
[0029]计时长度为用户所设置的死时间长度DT；
[0030]若计时范围内再次检测到雪崩同步输出信号，则计时长度清零重新开始计时；
[0031]若整个时间长度DT内没有检测到雪崩同步输出信号，输出低电平，完成一次完整的死时间处理。
[0032]动态死时间控制过程中，
[0033]当雪崩同步输出信号产生一次雪崩a后，探测输出高电平，死时间计时模块开始计时，
[0034]若雪崩a后出现后脉冲a，雪崩a与后脉冲a间隔时间为t1，且t1＜DT，则死时间计时模块清零重新开始计时；
[0035]若雪崩a后出现雪崩b，雪崩a与雪崩b间隔时间为t2，且t2＜DT，则死时间计时模块再本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，其特征在于，包括：触发甄别模块：用于甄别门控单光子探测器的触发信号，并输出所甄别的触发信号至扇出及延时模块；扇出及延时模块：用于将接收到的触发信号一分为二，两路信号分别经过可编程延时模块处理，一路输出探测器开门信号至门信号处理模块，另一路输出雪崩同步信号至雪崩同步甄别模块门信号处理模块：用于产生SPAD的门脉冲信号，输出至SPAD阴极；雪崩信号提取模块：连接SPAD阳极，提取SPAD输出的雪崩信号，并输出雪崩提取信号至雪崩同步甄别模块；雪崩同步甄别模块：用于接收雪崩提取信号以及雪崩同步信号，并输送至雪崩同步输出信号至动态死时间处理模块；动态死时间处理模块：用于向外探测输出。2.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，其特征在于：所述扇出及延时模块中的延时模块，分别用于调整探测器门脉冲信号与光脉冲信号的相对延时，使探测器门脉冲信号与光脉冲信号对齐以及调整雪崩同步信号与雪崩提取信号的相对延时，完成雪崩的同步甄别输出。3.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，其特征在于：所述门信号处理模块对探测器开门信号的幅度、脉宽进行调节，并对探测器中对开门信号进行滤波处理，从而产生SPAD的门脉冲信号。4.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，其特征在于：所述雪崩同步甄别模块在雪崩同步信号的上升沿采样雪崩提取信号，使雪崩同步输出信号位置稳定。5.根据权利要求1所述的用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制系统，其特征在于：所述动态死时间处理模块用于对雪崩输出信号做死时间处理，死时间内雪崩信号不会被有效计数及输出，若死时间内出现雪崩输出信号则重新开始计时。6.用于单光子探测器的同步甄别及动态死时间控制方法，其特征在于，同步甄别控制方法包括以下步骤：单光子探测器发出周期为T的门脉...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宝慧，徐焕银，张启发，郑健，徐斌，王立霞，朱云芳，徐猛，崔永龙，黄敦锋，李雷，张军峰，刘云，凌杰，张航，
申请(专利权)人：安徽问天量子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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