高计数率的单光子检测器
专利汇可以提供高计数率的单光子检测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高计数率的单 光子 检测器，属量子保密通信技术领域，在已有的单光子检测器的 电路 内，增添由 电子 开关 和控制电路组成的主动快速恢复电路，电子开关跨接在 雪 崩 二极管 (2)的 阳极 与地线之间，控制电路控制电子开关的启闭，在恢复时间内，控制电路输出正脉冲，令电子开关导通， 雪崩二极管 (2)的结电容和分布电容(5)通过小阻值的电子开关分别快速充电至Va和放电至0伏，主动快速恢复电路大大缩短了单光子检测器电路的恢复时间，确保单光子检测器具有高计数率性能，有结构简单，成本低廉，计数率高等优点，适于在量子保密通信技术领域中作单光子检测。，下面是高计数率的单光子检测器专利的具体信息内容。
1.一种高计数率的单光子检测器，含直流电源(1)、雪崩二极 管(2)、限流电阻(3)、输出电阻(4)、分布电容(5)、信号处理电 路(8)、插口(6)，限流电阻(3)、输出电阻(4)和雪崩二极管(2) 串联后跨接在直流电源(1)的Va和地线之间，分布电容(5)跨接 在雪崩二极管(2)的阳极和地线之间，输出电阻(4)的上端与信号 处理电路(8)的输入端(80)连接，插口(6)跨接在信号处理电路 (8)的输出端(81)和地线之间，其特征在于，它还包含电子开关 (7)和控制电路(9)，电子开关(7)由电阻(72)、(73)，可调电 阻(74)，稳压二极管(71)和晶体管(70)组成，稳压二极管(71) 与电阻(72)并联后跨接在晶体管(70)的发射极和地线之间，电阻 (73)跨接在晶体管(70)的基极和地线之间，晶体管(70)的集电 极与雪崩二极管(2)的阳极连接，控制电路(9)由级连的单稳态多 谐振荡器(90)、(91)组成，单稳态多谐振荡器(90)的输入端(901) 与信号处理电路(8)的输出端(81)连接，单稳态多谐振荡器(90) 的输出端(904)与单稳态多谐振荡器(91)的输入端(911)连接， 可调电阻(74)跨接在单稳态多谐振荡器(91)的输出端(914)和 晶体管(70)的基极之间，电容(902)和可调电阻(903)、电容(912) 和可调电阻(913)分别构成单稳态多谐振荡器(90)和(91)的时 间常数调节电路，最高计数频率为5MHz。
2.根据权利要求1所述的一种高计数率的单光子检测器，直流电 源(1)的输出电压包括+240V、+15V、+5V、-5V、-5.2V、-15V，以 分别给雪崩二极管(2)、信号处理电路(8)和控制电路(9)提供工 作电压，雪崩二极管(2)是EG&G公司出品的型号为C30902S的硅 雪崩二极管，限流电阻(3)的阻值为220kΩ，输出电阻(4)的阻 值为1kΩ，分布电容(5)的容量为2pf，其特征在于，单稳态多 谐振荡器(90)、(91)的型号均为MC74HC4538A，可调电阻(74) 的阻值为470Ω，电阻(73)的阻值为200Ω，晶体管(70)的型号 为3DK87，稳压二极管(71)的型号为1N5819，电阻(72)的阻值为 1kΩ，可调电阻(903)和(913)的阻值均为20kΩ，电容(902)和(912) 的容量均为10pf，最高计数率为3MHZ。
3.根据权利要求1所述的一种高计一数率的单光子检测器，其特 征在于，输出端(81)与输入端(901)之间和输出端(914)与电阻 (74)一端之间分别有电平转换电路(905)和(915)。
4.根据权利要求1或3所述的一种高计数率的单光子检测器， 其特征在于，单稳态多谐振荡器(90)、(91)的型号均为MC10198， 电平转换电路(905)和(915)的型号分别为MC10124和MCIOH125， MC10124是TTL-ECL电平转换芯片，MC101-1125是ECLTT1.电 平转换芯片。
技术领域
本发明涉及一种高计数率的单光子检测器，实现了将单光子检测 器汁数率从几百千提高到几兆，属量子保密通信技术领域。
背景技术
在量子保密通信中，信息通过加载在单个光子上进行传输，雪崩 二极管(APD)是单光子的检测器件。单光子检测器的性能是决定量 子保密通信的作用距离、误差率等指标的关键。图1示出了一种已有 的单光子检测器电路，雪崩二极管2以反向的盖革模式，即直流电源 1的输出电压Va大于雪崩二极管2的雪崩电压Vlatch工作，限流电阻 3、输出电阻4和雪崩二极管2以串联方式连接，雪崩输出信号，即 脉冲A从输出电阻4上取出，输入信号处理电路8的输入端80， 经信号处理电路8缓冲、放大、整形后，经输出端8l以标准TTL脉 冲信号形式从插口6输出，作为后续计数器的计数信号，即脉冲B。 这种单光子检测器电路的缺点是单光子探测所产生的相邻雪崩信号 之间的最短时间间隔太长，即雪崩二极管2两次雪崩之间的恢复时间 (死时间)太长，导致恢复时间内单光子信号的丢失，计数率降低， 检测器的性能下降。
发明内容
本发明的目的是推出一种高计数率的单光子检测器。本发明采用 以下技术方案使上述技术问题得到解决。
在已有的单光子检测器的电路内，增添由电子开关和控制电路组 成的主动快速恢复电路，电子开关跨接在雪崩二极管2的阳极与地线 之间，控制电路控制电子开关的启闭。单光子到来前，雪崩二极管2 处于等待状态时，雪崩二极管2的结电容和分布电容5的端电压分别 为Va和0伏。雪崩二极管2探测到单光子时，发生雪崩，雪崩二极 管2的结电容和分布电容5的端电压分别变为Vlatch和Va-Vlatch。控 制电路输出正脉冲，令电子开关导通，雪崩二极管2的结电容和分布 电容5通过小阻值的电子开关分别快速充电至Va和放电至0伏。控 制电路输出的正脉冲终止，令电子开关断路，雪崩二极管2恢复与限 流电阻3接通，进入等待状态，等待检测下一个单光子。电子开关和 控制电路的主动快恢复功能大大缩短了单光子检测器电路的恢复时 间，确保单光子检测器具有高计数率性能。
现结合附图详细说明本发明的电路和工作原理。
一种高计数率的单光子检测器，含直流电源1、雪崩二极管2、 限流电阻3、输出电阻4、分布电容5、信号处理电路8、插口6，限 流电阻3、输出电阻4和雪崩二极管2串联后跨接在直流电源1的Va 和地线之间，分布电容5跨接在雪崩二极管2的阳极和地线之间，输 出电阻4的上端与信号处理电路8的输入端80连接，插口6跨接在 信号处理电路8的输出端81和地线之间，其特征在于，它还包含电 子开关7和控制电路9，电子开关7由电阻72、73，可调电阻74， 稳压二极管71和晶体管70组成，稳压二极管71与电阻72并联后跨 接在晶体管70的发射极和地线之间，电阻73跨接在晶体管70的基 极和地线之间，晶体管70的集电极与雪崩二极管2的阳极连接，控 制电路9由级连的单稳态多谐振荡器90、91组成，单稳态多谐振荡 器90的输入端901与信号处理电路8的输出端81连接，单稳态多谐 振荡器90的输出端904与单稳态多谐振荡器91的输入端911连接， 可调电阻74跨接在单稳态多谐振荡器91的输出端914和晶体管70 的基极之间，电容902和可调电阻903、电容912和可调电阻913分 别构成单稳态多谐振荡器90和91的时间常数调节电路，最高计数频 率为5MHz。
本发明所述的一种高计数率的单光子检测器的进一步特征在于， 输出端81与输入端901之间和输出端914与电阻74的一端之间分别 有电平转换电路905和915。
工作原理：
背景技术恢复时间长的原因分析。恢复时间期间，雪崩二极管2 的结电容和分布电容5的端电压必须分别从Vlatch升至Va和从Va- Vlatch降至0伏。该结电容和分布电容均通过限流电阻3分别进行充 电和放电。为缩短恢复时间，限流电阻3的阻值应尽可能取得小。但 由于限流电阻3的另一个作用是限制雪崩发生时流过雪崩二极管2的 雪崩电流小于额定值Ilatch，否则一旦发生雪崩，雪崩二极管2将水远 维持处于雪崩状态，失去检测单光子的功能，所以限流电阻3的阻值 也不可取得太小，一般为儿百千欧，使得最短的恢复时间只能达到几 个微秒的量级，最高计数率仅为260KHz。
为了解决这两者在限流电阻3上产生的冲突，本发明采用由电子 开关7和控制电路9组成的主动快恢复电路，实现雪崩阶段雪崩二极 管2与限流电阻3的连接与恢复阶段雪崩二极管2与小阻值电阻72 连接之间的依次切换，从而实现了主动快恢复的过程，保证了雪崩过 程和快恢复过程的顺利进行。
在图2的工作方式下：限流电阻3与雪崩二极管2串联连接，从 输出电阻4输出的雪崩信号，即脉冲E，送到信号处理电路8中， 经过缓冲、放大、整形后得到标准的TTL脉冲信号，即脉冲F输 出，将脉冲F的上升沿去触发单稳态多谐振荡器90，单稳态多谐 振荡器90通过可调电阻R903 *电容C902的时间常数来控制脉冲C的 脉冲持续期，脉冲C的脉冲持续期通过调节可调电阻R903的阻值 来调节，该脉冲持续期决定了电子开关7导通的起始时刻，用脉冲C 的下降沿去触发单稳态多谐振荡器91，输出端914输出的脉冲D 经可调电阻74和电阻73构成的分压电路驱动晶体管70导通，雪崩 二极管2经导通的晶体管70与小阻值电阻72连接，单稳态多谐振荡 器91通过可调电阻R913 *电容C912的时间常数来控制输出脉冲D 的脉冲持续期，即雪崩二极管2的结电容快恢复的充电时间，该充电 时间通过调节可调电阻R913的阻值来调节，该充电时间决定了电子开 关7导通的时间。恢复时间≈脉冲C的脉冲持续期+脉冲D的 脉冲持续期。主动快恢复电路的恢复时间可缩短至200ns的量级，最 高计数率可高达5MHz。主动快恢复过程的时序图如图3所示，从图 中可以看出，经过主动快恢复过程后，两次雪崩之间的时间间隔大大 缩短，计数率大大提高。
本发明的优点是：
1.结构简单，成本低廉。
2.利用如图2虚线框中所示的电子开关7和控制电路9实现对雪 崩过程和恢复过程的准确操控，保证APD的雪崩和快恢复的依次进 行，控制简单，便于操作。
3.实现了单光子检测器的高计数率。
附图说明
图1已有的单光子检测器电路。
图2本发明的单光子检测器的电路结构简图，其中，1是直流电 源，该电源有多路电压输出；2是雪崩二极管；3是限流电阻4是 输出电阻，雪崩信号，即脉冲E从该电阻上取出；5是分布电容； 6是插口；7是电子开关，由稳压二极管71、晶体管70、电阻72(其 阻值在几百欧至1K的量级)、电阻73和可调电阻74组成：8是雪崩 信号处理电路；9是控制电路，由两个单稳态多谐振荡器90，91组 成。
图3主动快恢复过程的时序图，其中脉冲A和B示出了已有技 术恢复过程的时序，脉冲C、D、E和F示出了本发明主动快恢复过程的 时序。
图4已有的单光子检测器的雪崩信号，即脉冲A，和计数信号， 即脉冲B的示波图形。
图5本发明的单光子检测器的雪崩信号，即脉冲E的示波图 形。
图6本发明的单光子检测器的计数信号，即脉冲F的示波图 形。
图7本发明的实施例1的电路。
图8本发明的实施例2的电路。
具体实施方式
实施例1本实施例的电路示于图7，其中，直流电源1的输出电 压包括+240V、+15V、+5V、-5V、-5.2V、-15V，以分别给雪崩二极 管2、信号处理电路8和控制电路9提供工作电压，雪崩二极管2是 EG & G公司出品的型号为C30902S的硅雪崩二极管，限流电阻3的阻 值为220kΩ，输出电阻4的阻值为1kΩ，分布电容5的容量为2pf， 单稳态多谐振荡器90、91的型号均为MC74HC4538A，可调电阻74 的阻值为470Ω，电阻73的阻值为200Ω，晶体管70的型号为3DK87， 稳压二极管71的型号为1N5819，电阻72的阻值为1kΩ，可调电阻 903和913的阻值均为20kΩ，电容902和912的容量均为10pf，最高 计数率为3MHZ。信号处理电路8由高速缓冲器LH0033、高频放大 器LM7171、电压比较器MAX913组成。信号处理电路8的实际电路 与本发明技术方案无直接关系，这里不详述。
实施例2本实施例的电路示于图8。本实施例除了以下不同外， 其余与实施例1完全相同：单稳态多谐振荡器90、91的型号均为 MC10198，电平转换电路905和915的型号分别为MC10124和 MC10H125，MC10124是TTL-ECL电平转换芯片，MC10H125是 ECL-TTL电平转换芯片，最高计数率为5MHZ。
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9 一种光电探测器
