(一)技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种多参数可配置的单光子计数系统，可用于
激光雷达，DNA测序，量子密匙分配，以及医学成像等领域的极微弱光的测量，属于光电探测技术领域。(二)背景技术
[0002] 单光子计数技术已广泛应用于激光雷达、
荧光寿命成像(FLIM)、DNA测序和医学成像等弱光探测领域。单光子
雪崩
二极管(SPAD)具有低偏置
电压、高灵敏度、低成本和兼容CMOS工艺等优点，已成为光子计数系统中常用的探测器。为了提高基于单光子
雪崩二极管的光子计数系统的性能特性，研究人员提出了多种采用逻辑处理方法的解决方案。如：在文献“Digital silicon photomultipliers with OR/XOR pulse combining techniques,IEEE Trans.Electron.Devices 63(3),1105-1110(2016)”以及文献“A 256×256 45/65nm 3D-stacked SPAD-based direct TOF image sensor for LiDAR applications with optical polar modulation for up to 18.6dB interference suppression,IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC),96-98(2018).”中，单光子计数系统使用多SPAD/SPAD阵列与逻辑或
门/异或门相结合的设计，提高了光子计数系统的动态范围和灵敏度；在文献“Smart three-dimensional imaging ladar using two Geiger-mode avalanche photodiodes,Opt.Express,19(20),19323-19329(2011).”以及文献“A reconstruction method for restraining range walk error in photon counting Lidar via dual detection,J.Opt.21(4),045703(2019)”中，光子计数系统采用多SPAD及逻辑与门来降低噪声；
[0003] 现有设计改善了光子计数系统的特定参数的性能，但是，这是在牺牲其他参数的情况下实现的。例如，使用带逻辑或门/逻辑与或门的多SPAD系统，会增加系统的总体暗计数率，导致噪声增加；而使用带逻辑与门的多SPAD系统，其系统检测效率会降低。此外，现有设计对系统的特定参数优化是固定且不可改变的，而当测试环境改变时，如入射光
信号强度变化、环境光强度变化以及长测距/传感的距离变化时，系统需要对不同参数特性进行调节以适应测试环境的变化。这使得现有设计限制了单光子技术系统在不同入射
光信号和测试环境下的实用性。
[0004] 本发明公开了一种多参数可配置的单光子计数系统，可用于测试条件多变的极微弱光的测量，可广泛用于激光雷达，DNA测序，量子密匙分配以及医学成像等领域。它采用电控光
开关，传输光纤以及光纤
耦合器来配置入射光的走向，同时采用双SPAD和数字逻辑处理
电路实现了系统的三种不同工作模式及其工作模式的切换。这三种工作模式可对特定的系统特性参数如时间抖动，光子计数能
力以及噪声新能进行优化增强，这三种系统工作模式分别是：1.高
精度，低时间抖动模式，所有光信号入射至第二单光子探测器，第二单光子探测器的读出电路的输出用于光子计数；低噪声模式：2.光信号的功率被均匀地分配并入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器，这两个探测器的读出电路的输出连接至一个逻辑与门的输入进行处理，逻辑与门的输出用于光子计数；3.高灵敏度，高光子计数模式：光信号的功率被均匀地分配并入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器。在高灵敏度，高光子计数模式下，当系统被用于光强测量时，两个探测器的输出进行独立计数，系统的光子计数率等于这两个输出的计数率之和；当系统被用于时间相关的单光子计数时，两个探测器的输出连接至一个逻辑或门的输入进行处理，逻辑或门的输出用于光子计数。本发明允许用户对光子计数系统的工作模式进行切换，增强光子计数系统特定性能参数以适应不同的探测环境。此外，本发明还使得在光子计数系统中加入智能控制逻辑，使系统在不同工作模式之间的自动切换成为可能，这有助于当系统在被用于多变的探测环境下，如激光雷达，激光测距以及光子计数光时域反射仪(OTDR)等应用是，性能可以更加稳定。
(三)发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种多参数可配置的单光子计数系统，可用于测试条件多变的极微弱光的测量。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 该多参数增强可配置的单光子计数系统由1×2电控光学开光1、第一传输光纤2、第二传输光纤3、光纤分束器4、第三传输光纤5、第四传输光纤6、光纤合束器7、第一单光子探测器8、第一读出电路9、第二单光子探测器10、第二读出电路11、二输入逻辑与门12、二输入逻辑或门13、模式切换及
信号处理模
块14组成。所述系统工作时，所探测的光信号被耦合进入1×2电控光学开光1的输入端(A端口)，1×2电控光学开光1在外部电控下将输入的光信号导向输出端(B或者C端口)，从1×2电控光学开光1的B端口输出的光信号经过第一传输光纤2进入光纤分束器4并被分成功率相同的两部分信号输入第三传输光纤5以及第四传输光纤6，从1×2电控光学开光1的C端口输出的光信号经过第二传输光纤3输入光纤合束器7，在第三传输光纤5中传输的光信号被耦合进入第一单光子探测器8，第一单光子探测器8将第三传输光纤5中传输的光信号转换为电脉冲信号并输入第一读出电路9，第一读出电路9将第一单光子探测器8输出的脉冲
电信号整形为标准TTL信号并输出，第二传输光纤3和第四传输光纤6传输的光信号经过光纤合束器7混合输出并耦合至第二单光子探测器10，第二单光子探测器10将光纤合束器7输出的光信号转换为电脉冲信号并输入第二读出电路11，第二读出电路11将第二单光子探测器10输出的脉冲电信号整形为标准TTL信号并输出，第一读出电路9以及第二读出电路11的输出连接至二输入逻辑与门12以及二输入逻辑或门13的输入，第一读出电路9、第二读出电路11、二输入逻辑与门12以及二输入逻辑或门13的输出至模式切换及信号处理模块14，模式切换及信号处理模块14通过控制1×2电控光学开光1以及选择第一读出电路9、第二读出电路11、二输入逻辑与门12以及二输入逻辑或门13的输出来切换系统的工作模式以增强其性能参数。
[0008] 系统可工作于三种不同的工作模式，分别是：高精度，低时间抖动模式；低噪声模式以及高灵敏度，高光子计数模式。
[0009] 当单光子计数系统需要工作于高精度，低时间抖动模式时，模式切换及信号处理模块14输出电控信号使得输入1×2电控光学开光1的光信号导入其C端口，并且经过第二传输光纤3以及光纤合束器7入射至第二单光子探测器10，此时第二读出电路11的输出被用于光子计数以及时间相关计数测量；当单光子计数系统需要工作于高灵敏度模式时，模式切换及信号处理模块14输出电控信号使得输入1×2电控光学开光1的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤2进入光纤分束器4并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤5，以及第四传输光纤6和光纤合束器7，入射至第一单光子探测器8和第二单光子探测器10，此时系统的光子计数率为第一读出电路9以及第二读出电路11的输出脉冲计数率之和，二输入逻辑或门13的输出则被用于时间相关计数测量；当单光子计数系统需要工作于低噪声模式时，模式切换及信号处理模块14输出电控信号使得输入1×2电控光学开光1的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤2进入光纤分束器4并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤5，以及第四传输光纤6和光纤合束器7，入射至第一单光子探测器8和第二单光子探测器10，二输入逻辑与门12的输出会被用于光子计数以及时间相关计数测量。
[0010] 第一单光子探测器8和第二单光子探测器10可以是基于
硅(Silicon)、锗(Germanium)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的
半导体单光子雪崩二极管的任何一种，也可以是基于超导
纳米线的单光子探测器。
[0011] 只有当第一读出电路9和第二读出电路11同时输出电脉冲时，二输入逻辑与门12输出电脉冲。当第一读出电路9和第二读出电路11中任何一个读出电路输出电脉冲时，二输入逻辑或门13输出电脉冲。(四)
附图说明
[0012] 图1是多参数可配置的单光子计数系统的结构示意图。由1×2电控光学开光1、第一传输光纤2、第二传输光纤3、光纤分束器4、第三传输光纤5、第四传输光纤6、光纤合束器7、第一单光子探测器8、第一读出电路9、第二单光子探测器10、第二读出电路11、逻辑与门
12、逻辑或门13以及模式切换及信号处理模块14组成。
[0013] 图2是多参数可配置的单光子计数系统被用于光信号强度测量时的
实施例示意图。由1×2电控光学开光201、第一传输光纤202、第二传输光纤203、光纤分束器204、第三传输光纤205、第四传输光纤206、光纤合束器207、第一单光子探测器208、第一读出电路209、第二单光子探测器210、第二读出电路211、二输入逻辑与门212、二输入逻辑或门213、模式切换及信号处理模块214、
光源216以及光纤耦合器215组成。
[0014] 图3是当系统被用于对信号光强度进行测量时，不同模式下系统的噪声(暗计数率)测量数据。
[0015] 图4是当系统被用于对信号光强度进行测量时，不同模式下系统对不同光信号强度的测量数据。
[0019] 图5是多参数可配置的单光子计数系统被用于被用时间相关单光子计数时的实施例示意图。由1×2电控光学开光301、第一传输光纤302、第二传输光纤303、光纤分束器304、第三传输光纤305、第四传输光纤306、光纤合束器307、第一单光子探测器308、第一读出电路309、第二单光子探测器310、第二读出电路311、二输入逻辑与门312、二输入逻辑或门313、模式切换及信号处理模块314、光源315、光纤耦合器316、
时间数字转换器317以及PC端
数据处理系统318组成。
[0016] 图6是系统被用时间相关单光子计数时，在不同工作模式下的时间抖动。
[0017] 图7是系统被用时间相关单光子计数时，当光源发出的脉冲光信号功率较低时，系统在不同工作模式下得到的时间间隔数据。
[0018] 图8是系统被用时间相关单光子计数时，当光源发出的脉冲光信号功率足够，所需测量的时间间隔较长时，系统在不同工作模式下得到的时间间隔数据并对其进行处理得到时间相关光子计数结果。(五)具体实施方式
[0019] 下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
[0020] 实施例一：
[0021] 图2给出了多参数可配置的单光子计数系统被用于光信号强度测量时的一个实施例。由1×2电控光学开光201、第一传输光纤202、第二传输光纤203、光纤分束器204、第三传输光纤205、第四传输光纤206、光纤合束器207、第一单光子探测器208、第一读出电路209、第二单光子探测器210、第二读出电路211、二输入逻辑与门212、二输入逻辑或门213、模式切换及信号处理模块214、光源216以及光纤耦合器215组成。所述系统工作时，光源发出的光信号通过光纤耦合器进入1×2电控光学开光的输入端(A端口)，1×2电控光学开光在外部电控下将输入的光信号导向输出端(B或者C端口)，从1×2电控光学开光的B端口输出的光信号经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分信号输入第三传输光纤以及第四传输光纤，从1×2电控光学开光的C端口输出的光信号经过第二传输光纤输入光纤合束器，在第三传输光纤5中传输的光信号被耦合进入第一单光子探测器，第一单光子探测器将第三传输光纤中传输的光信号转换为电脉冲信号并输入第一读出电路，第一读出电路将第一单光子探测器输出的脉冲电信号整形为标准TTL信号并输出，第二传输光纤和第四传输光纤传输的光信号经过光纤合束器混合输出并耦合至第二单光子探测器，第二单光子探测器将光纤合束器输出的光信号转换为电脉冲信号并输入第二读出电路，第二读出电路将第二单光子探测器输出的脉冲电信号整形为标准TTL信号并输出，第一读出电路以及第二读出电路的输出连接至二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输入，第一读出电路、第二读出电路、二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输出至模式切换及信号处理模块，模式切换及信号处理模块通过控制1×2电控光学开关以及选择第一读出电路、第二读出电路、二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输出来切换系统的工作模式以增强其性能参数。
[0022] 系统可工作于三种不同的工作模式，分别是：高精度，低时间抖动模式；低噪声模式以及高灵敏度，高光子计数模式。
[0023] 当单光子计数系统需要工作于高精度，低时间抖动模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其C端口，并且经过第二传输光纤以及光纤合束器入射至第二单光子探测器，此时第二读出电路的输出被用于光子计数以及时间相关计数测量；当单光子计数系统需要工作于高灵敏度模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤，以及第四传输光纤和光纤合束器，入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器，此时系统的光子计数率为第一读出电路以及第二读出电路的输出脉冲计数率之和；当单光子计数系统需要工作于低噪声模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤，以及第四传输光纤和光纤合束器，入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器，二输入逻辑与门的输出会被用于光子计数以及时间相关计数测量。
[0024] 图3给出了当系统工作时，不同模式下系统的噪声(暗计数率)。可见系统工作于低噪声模式时的噪声最低，比其他模式降低了将近90％的暗计数率。
[0025] 图4给出了当系统工作时，不同模式下系统对不同光信号强度的测量结果。可见当系统工作于高灵敏度，高光子计数模式下时，对于光子计数率最高，这是因为此模式下，系统能保持较高的探测效率的同时，由于采用了两个探测器进行计数，系统的死时间得以降低，单位时间内可计的光子数随之增加。结果也显示，当系统工作于低噪声模式时，系统有着最高的动态范围以及最好的线性度，这都得益于噪声的降低；然而，因为光子探测效率的降低，使得系统在此模式下的灵敏度相比其他模式较低。
[0026] 由以上可知，当系统被用于光信号强度测量时，如果入射光信号较弱，则系统切换至高灵敏度，高光子计数模式以对较弱光信号进行测量和读取；当入射光信号较强时，系统可切换至低噪声模式以获得高
信噪比，更大的动态范围以及更好的测量线性度。
[0027] 实施例二：
[0028] 图5给出了多参数可配置的单光子计数系统被用时间相关单光子计数的一个实施例。由1×2电控光学开光301、第一传输光纤302、第二传输光纤303、光纤分束器304、第三传输光纤305、第四传输光纤306、光纤合束器307、第一单光子探测器308、第一读出电路309、第二单光子探测器310、第二读出电路311、二输入逻辑与门312、二输入逻辑或门313、模式切换及信号处理模块314、光源315、光纤耦合器316、时间数字转换器317以及PC端
数据处理系统318组成。所述系统工作时，光源发出脉冲光信号通过光纤耦合器进入1×2电控光学开光的输入端(A端口)，同时光源发出一个同步的脉冲电信号输入时间数字转换器，使其开始计时，1×2电控光学开光在外部电控下将输入的光信号导向输出端(B或者C端口)，从1×2电控光学开光的B端口输出的光信号经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分信号输入第三传输光纤以及第四传输光纤，从1×2电控光学开光的C端口输出的光信号经过第二传输光纤输入光纤合束器，在第三传输光纤中传输的光信号被耦合进入第一单光子探测器，第一单光子探测器将第三传输光纤中传输的光信号转换为电脉冲信号并输入第一读出电路，第一读出电路将第一单光子探测器输出的脉冲电信号整形为标准TTL信号并输出，第二传输光纤和第四传输光纤传输的光信号经过光纤合束器混合输出并耦合至第二单光子探测器，第二单光子探测器将光纤合束器输出的光信号转换为电脉冲信号并输入第二读出电路，第二读出电路将第二单光子探测器输出的脉冲电信号整形为标准TTL信号并输出，第一读出电路以及第二读出电路的输出连接至二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输入，第一读出电路、第二读出电路、二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输出至模式切换及信号处理模块，模式切换及信号处理模块通过控制1×2电控光学开关以及选择第一读出电路、第二读出电路、二输入逻辑与门以及二输入逻辑或门的输出来切换系统的工作模式以增强其性能参数，从模式切换及信号处理模块控制下输出的电脉冲(根据不同的工作模式，可为第一读出电路、逻辑或门或者逻辑与门的输出)输入时间数字转换器，使其停止计时，得到一个时间间隔并输出至PC端数据处理系统，PC端数据处理系统记录多个这样的时间间隔，并将时间间隔数据根据应用(激光雷达，激光测距，医学成像或者是光时域反射仪)进行处理。
[0029] 系统可工作于三种不同的工作模式，分别是：高精度，低时间抖动模式；低噪声模式以及高灵敏度，高光子计数模式。
[0030] 当单光子计数系统需要工作于高精度，低时间抖动模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其C端口，并且经过第二传输光纤以及光纤合束器入射至第二单光子探测器，此时第二读出电路的输出被用于光子计数以及时间相关计数测量；当单光子计数系统需要工作于高灵敏度，高光子计数模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤，以及第四传输光纤和光纤合束器，入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器，此时二输入逻辑或门的输出则被用于时间相关计数测量；当单光子计数系统需要工作于低噪声模式时，模式切换及信号处理模块输出电控信号使得输入1×2电控光学开光的光信号导入其B端口，并经过第一传输光纤进入光纤分束器并被分成功率相同的两部分光信号，这两部分光信号分别通过第三传输光纤，以及第四传输光纤和光纤合束器，入射至第一单光子探测器和第二单光子探测器，二输入逻辑与门的输出会被用于光子计数以及时间相关计数测量。
[0031] 图6给出了系统在不同工作模式下的时间抖动，结果表明系统在工作于高精度，低时间抖动模式有着最低的时间抖动，也就是更高的时间间隔测量精度。
[0032] 图7给出了当光源发出的脉冲光信号功率较低时，系统在不同工作模式下得到的时间间隔数据。结果表明，当脉冲光信号功率较低时，系统在高精度，低时间抖动模式下结果较好，可记录较多的正确时间间隔；系统在高灵敏度，高光子计数模式有着相当的计数能力；而由于探测效率较低，系统在低噪声模式下的正确时间间隔计数较少，性能较弱。
[0033] 图8给出了当光源发出的脉冲光信号功率足够，所需测量的时间间隔较长时，系统在不同工作模式下得到的时间间隔数据。结果表明，得益于较低的噪声，系统在低噪声模式下的正确时间间隔计数最高，性能最好；而由于噪声较高，系统在在高灵敏度，高光子计数模式下结果较差，可记录的正确时间间隔相对较少。
[0034] 由以上可知，当系统被用于时间相关光子计数(时间间隔测量)时，如果对时间测量精度要求较高或者入射脉冲光信号较弱时，则系统切换至入高精度，低时间抖动模式；而当入射光信号足够强，若环境光造成的噪声较大或者所需测量的时间间隔较长时，系统可切换至低噪声模式以获得更好的性能。
[0035] 以激光雷达的应用中为例，当其工作于夜晚环境(既环境光噪声影响较小时)，单光子计数系统可工作于高精度，低时间抖动模式以获得更高的探测效率和测量精度；而当其进入环境光强度较大的测量环境时(如白天，或者较高强度的城市灯光)，系统可切换至低噪声模式以获得更好的性能。
