[实用新型]一种单光子探测器死时间控制电路实现装置

说明书

本方案的单光子探测器死时间控制电路实现装置：时钟分配电路与脉冲展宽电路连接，其时钟脉冲引脚分别与第一、二触发器的CLK引脚和控制单元的时钟接收端连接。第一、二触发器的R引脚均与控制单元的控制信号输出引脚连接。第一、二逻辑芯片组的电平输入引脚均与第一、二触发器的Gate_nQ、ACC_nQ引脚连接，电平输出引脚与门控驱动电路连接。优点是通过将触发信号立刻送至在延时芯片组下级链路的逻辑芯片组，实现减小了关断死时间的链路长度。配合控制单元，实现接收到探测时钟脉冲信号及时关断门控和符合门信号的目的，减少硬件操作时间，解决因无法及时关断门控+符合门信号导致后脉冲计数过大造成的QDK系统成码率低的问题。

技术领域

本实用新型涉及量子通讯领域，尤其涉及一种单光子探测器死时间控制电路实现装置。

背景技术

光的最小单位是光子,单光子探测器作为最精密的光学测量仪器可以实现对单个光子的检测,其在量子信息、生物荧光检测、分布式光纤传感、微弱光成像、激光雷达等诸多领域有着重要的应用。在量子信息领域,由于基于物理学上的量子态不可克隆定理,利用单光子的非正交态进行编码可以实现无条件安全的量子密钥分发(QKD),进而实现无条件安全的量子保密通讯。在基于光子为信息载体的量子密钥分发中,单光子探测器作为量子密钥分发的核心器件,其性能指标成为限制量子保密通讯传输距离和成码率的重要因素之一。

单光子探测器死时间控制是指在APD(雪崩式光电二极管)探测到一个光信号后由死时间控制电路产生两路控制信号使门控电路和雪崩信号处理电路进入非使能状态，此时单光子探测器是不会产生任何探测计数。在经过一段死时间后，死时间控制电路又会产生两路控制信号来控制门控电路和雪崩信号处理电路，此时单光子探测器又进入正常工作状态。单光子探测器的性能指标主要由量子探测效率、暗计数率和后脉冲概率组成。一般情况下探测效率和暗计数率是不变的，所以当后脉冲概率越高其性能越差。

当雪崩光电二极管在雪崩状态下工作时，光子打出的电子将产生持续的碰撞电离，PN结中的载流子将不断增加，虽然可以通过关断“门脉冲”的方式使雪崩光电二极管淬灭，但是载流子并不能在下一个门脉冲到来之前释放，残留的载流子会造成一次额外的计数，这个信号脉冲就称之为后脉冲，后脉冲并不是由光子激发产生的，属于误计数，在量子通信中，后脉冲将极大的影响系统的误码率。

目前，为了减少后脉冲，一种有效的方法是对探测器设定死时间，所谓死时间是指在产生一次有效光子计数后的一段时间内不再对新的信号进行响应。当前常采用的死时间的实现办法是利用光子信号作为反馈，在得到一次有效计数后，利用电路逻辑处理手段在一段时间内屏蔽门脉冲。死时间控制是由关断“门控信号+符合门信号”和打开“门控信号+符合门信号”两部分组成，两种之间的时间间隔即死时间。传统的死时间控制电路方案如图1a所示，其过程是在光信号引发APD管雪崩后，雪崩信号处理电路会把微弱的雪崩信号甄别出来再经过一系列的处理后送至控制单元，然后再由控制单元产生两路死时间控制信号，一路用于控制门控电路，另一路用于控符合门信号处理电路。

关断“门控信号+符合门信号”过程：门控信号加载在单光子探测器上产生雪崩信号，雪崩信号经过高速比较器比较得到的信号A，信号A再与符合门信号进行与操作后输出给脉冲展宽电路、时钟分配电路再输出触发信号到控制单元，控制单元接收到触发信号后，由控制单元输出Gata_EN/ACC_EN信号将延时芯片A、延时芯片B关断实现了死时间的关断功能。

打开“门控信号+符合门信号”过程:控制单元收到关断“门控信号+符合门信号”的触发信号后，输出Gata_EN/ACC_EN信号的同时开始计时，计时的时钟由计时脉冲提供；在系统运行过程中由用户(或者产品设计中)设置死时间，当死时间到达后控制单元在将Gata_EN/ACC_EN信号使能，开启“门控信号+符合门信号”。

从而通过上述的过程完成了单光子探测器产品中的死时间控制功能。