[发明专利]一种抗背散射超导单光子探测器

说明书

技术领域

本发明属于超导单光子探测技术领域，尤其涉及一种抗背散射超导单光子探测器。

背景技术

单光子探测器是量子信息领域的关健技术，是实现对单量子态进行操控、处理和研究的基本技术手段。超导纳米线单光子检测器是一种利用超导纳米线条进行光子检测的高灵敏探测器。探测器通过激光器向远距离目标发射光子，探测器的感光部分为薄膜纳米线结构，工作时纳米线上的电流被偏置在稍低于临界电流的位置。当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被短时破坏，随后能自动恢复到超导状态。在电路上表现为快速上升、随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，我们就可以鉴别出单光子。

传统的超导单光子探测器在激光测距应用中测量地面目标时，在近距离内会面临背光致盲问题，即约30km以内的大气微粒会散射激光束，当过多散射的光粒子沿原路径返回被探测系统捕捉到后，会使得超导探测芯片一直处于失超状态，从而使探测器工作受阻，这种现象称为探测器背光致盲。当大气中的微粒过多、背散射很强时，背光致盲问题便出现了。背光致盲问题严重阻碍了超导单光子探测器在大气层内的激光雷达的应用，制约了探测器进一步发展。

现有的光学上提出解决背光致盲问题的方法是在探测器接收端使用高频率光开关，即一种电磁波衰减器。但是光开关存在的问题是，光开关关闭时对入射光的衰减最大只有10倍，仍会导致致盲问题；在光开关开启时，对入射光仍存在一定程度衰减，不符合探测器工作要求。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的探测器背光致盲问题，本发明提供一种抗背散射超导单光子探测器。

技术方案：一种抗背散射超导单光子探测器，其特征在于，包括时钟信号生成模块、激光器、门控源表及纳米线芯片，所述门控源表包括数模转换芯片和负载电阻，数模转换芯片的输出端通过负载电阻连接纳米线芯片；所述时钟信号生成模块用于为激光器和数模转换芯片提供PWM波信号；所述激光器用于发射光子，所述纳米线芯片用于接收光子；所述门控源表用于控制纳米线芯片工作。

进一步的，所述时钟信号生成模块包括第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；数模转换芯片的控制端口包括第五引脚、第六引脚和第七引脚，第七引脚用于串行数据输入，第六引脚用于串行时钟输入，第五引脚用于输入数据帧同步信号；时钟信号生成模块的第一输出端口输出常高电平，连接数模转换芯片的第六引脚；时钟信号生成模块的第二输出端口输出常低电平，连接数模转换芯片的第五引脚；时钟信号生成模块的第三输出端口输出PWM波及串行数据，连接数模转换芯片的第七引脚；数模转换芯片的输出端口包括第三引脚和第四引脚，第四引脚连接所述负载电阻，第三引脚置空。

进一步的，所述PWM波为高电平时，时钟信号生成模块的第三输出端口同时向数模转换芯片的第七引脚输入串行数据；PWM波为低电平时，时钟信号生成模块的第三输出端口同时向数模转换芯片的第七引脚输入0。

进一步的，所述数模转换芯片采用串行数据输入的工作方式，所述串行数据为24位数据，其中前8位为控制信号，后16位决定输出电压的电平值，所述输出电压用于驱动所述纳米线芯片。

进一步的，所述PWM波信号的周期为1ms，令PWM波信号的占空比为T，80％＜T＜99％。

进一步的，所述时钟信号生成模块包括FPGA。

进一步的，所述激光器的触发方式为外部时钟下降沿触发。

进一步的，所述纳米线芯片的工作方式为PWM波高电平时，芯片正常工作；PWM波低电平时，芯片停止工作。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种抗背散射超导单光子探测器，通过门控源表给纳米线芯片供电，通过PWM波信号触发激光器，同时通过PWM波信号控制纳米线的非工作时间，将光子发射和接收在时间上分开来，在光子发射和接收两步操作间留出一段闲置时间，屏蔽近距离内的反射光子，使得光子接收不会受近距离反射光子的影响，有效解决了超导纳米线单光子探测器背光致盲问题。通过调节PWM波的占空比，进一步调节纳米线芯片的非工作时间，以满足屏蔽不同距离内反射光子的需要。本发明避免了现有技术采用电磁波衰减器带来的处理不彻底仍导致致盲的问题；也不会对发射光子进行衰减，使发射光子依然满足探测器的工作要求。本发明可以将超导纳米线单光子探测器的应用扩展到浓雾等强背散射环境下激光测距和激光雷达应用，提高了探测器在大气层内使用的可靠性。

附图说明

图1为本发明抗背散射超导单光子探测器的结构框图；

图2为本发明的工作时序图；