在线后脉冲概率测量系统

摘要

本发明提供的是一种在线后脉冲概率测量系统，由单光子雪崩光电二极管(1)、淬灭电阻(2)、整形电路(3)、测量电路(4)、数控电位器(51)数控电容器(52)、第一计数器(6)、第二计数器(7)和数据处理模块(8)组成。本发明可用于单光子探测器实时的后脉冲概率测量和优化，可广泛用于单光子计数，激光雷达，荧光寿命探测和量子通信等极微弱光探测领域。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种在线后脉冲概率测量系统，本发明可用于对单光子探测器实时的后脉冲概率测量和优化，可广泛用于单光子计数、激光雷达，荧光寿命探测和量子通信等极微弱光探测领域。

(二)背景技术

通过利用光电倍增管的卓越性能，光子计数和与时间相关的光子计数技术已经发展了很多年。近年来，已开发出特殊的半导体探测器，称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)，以探测单个光子。在文献中，它们也被称为盖革模式雪崩光电二极管。该技术已在各个领域获得了重要的实验结果：基本量子力学；密码学；天文学；单分子检测；物理，化学，生物学和材料科学中的荧光衰减和发光；光纤通信；太空应用和遥测中的激光测距。

如今，单光子雪崩光电二极管由于其暗计数率低和检测效率高而被公认为探测超低功率光信号的最佳解决方案之一。它们的性能主要受后脉冲效应的限制，这是由于载流子在雪崩期间被困在陷阱中，然后在一定延迟后释放，从而触发了随后的雪崩脉冲。为了限制这种有害作用，必须在每个雪崩脉冲后的一定时间内将SPAD关闭。后脉冲受工作温度的强烈影响，因为在高温下，被陷阱捕获的载流子更容易释放。但是，暗计数速率对温度的依赖性是相反的，暗计数会随着温度的增加而增加，权衡这两个趋势是十分有必要的。高的后脉冲率会降低单光子探测系统的信噪比，降低探测敏感度，阻碍了需要精度测量的应用。因此，对单光子探测系统中后脉冲概率的实时监测是至关重要的，现有后脉冲概率测量方法如文献“G.Humer,M.Peev,C.Schaeff,S.Ramelow,M.

为了解决上述问题，本发明公开了一种在线后脉冲概率测量系统，可用于单光子计数，激光雷达，荧光寿命探测和量子通信等领域。该系统通过一个可以校正后脉冲效应的测量电路和两个计数器实时得到某个时间间隔内的后脉冲计数，再通过扫描的方式得到不同时间间隔内的后脉冲计数，将测得的数据建立直方图并拟合得到后脉冲概率，并根据实时的后脉冲概率反馈到测量电路对系统输出进行实时的优化。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在线后脉冲概率测量系统，可以用于飞行时间成像，光时域反射，激光雷达，荧光寿命探测和量子通信等领域。

在线后脉冲概率测量系统由单光子雪崩光电二极管(1)、淬灭电阻(2)、整形电路(3)、测量电路(4)、数控电位器(51)数控电容器(52)、第一计数器(6)、第二计数器(7)和数据处理模块(8)组成。

本发明是这样实现的：所述系统中单光子雪崩光电二极管(1)反向偏置在击穿电压以上，工作于单光子探测模式，光子入射引发雪崩效应在阳极输出雪崩事件脉冲。整形电路(3)将雪崩事件脉冲整形为标准晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平信号，信号分为两路一路输出到测量电路(4)，另外一路输出到第二计数器(7)。测量电路(4)中设置一个可调整的时间间隔阈值，判断是否发生后脉冲，如果两个相邻雪崩脉冲之间的时间间隔小于时间间隔阈值，则测量电路(4)将自动将两个脉冲合并为一个脉冲以此消除该后脉冲效应，通过控制数字电位器(51)输出阻抗和数字电容器(52)输出电容可以对测量电路(4)的时间间隔阈值进行调整。第一计数器(6)对经后脉冲效应校正的雪崩事件脉冲进行计数，第二计数器(7)对未经后脉冲效应校正的雪崩事件脉冲进行计数。数据处理模块(8)将第二计数器(7)的计数减去第一计数器(6)的计数可以得到发生在所设置时间间隔阈值范围内的脉冲计数，不断调整测量电路(4)的时间间隔阈值，得到不同时间间隔内的脉冲计数，将数据绘制成分布直方图，拟合得到后脉冲概率分布。此外，对后脉冲概率分布进行分析，得到测量电路(4)最佳的时间间隔阈值，反馈到数控电位器(51)和数控电位器(52)，使得系统一直工作在最优状态。

所述系统中单光子雪崩光电二极管(1)可以是基于硅(Silicon)，锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)和铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)材质的任何一种。淬灭电阻(2)连接单光子雪崩光电二极管(1)的阳极，单光子雪崩光电二极管(1)工作在单光子探测模式，光子入射引起二极管发生雪崩时，淬灭电阻(2)对二极管进行淬灭和复位，二极管的阳极产生雪崩事件脉冲。基于高速电压比较器的整形电路(3)将二极管输出的雪崩事件脉冲转换为TTL电平信号以方便后端电路进行信号处理。

所述系统中测量电路(4)基于可重复单稳态触发器，其作用是判断整形电路(3)输出中两个相邻的雪崩事件脉冲是否具有后脉冲效应，并将后脉冲进行校正。整形电路(3)将单光子雪崩光电二极管(1)输出的雪崩事件脉冲转换为TTL电平信号并输出至测量电路(4)，测量电路(4)接收到上升沿信号会输出一个t

所述系统中第一计数器(6)和第二计数器(7)为相同结构的计数器，分别对测量电路(4)和整形电路(3)进行读出和计数处理，两个计数器将记录的数据输出至数据处理模块(8)进行处理。

所述系统中数据处理模块(8)可以是基于微控制器、现场现场可编程逻辑门阵列或者上位机的任意一种，其作用是通过将前端电路收集的数据进行直方图处理得到后脉冲概率同时对数控电位器(51)和数控电容器(52)进行合理设置，使得系统输出的后脉冲概率维持在较低水平。测量过程是将测量电路(4)的时间间隔阈值设置为t

(四)附图说明

图1是在线后脉冲概率测量系统示意图。它由单光子雪崩光电二极管(1)、淬灭电阻(2)、整形电路(3)、测量电路(4)、数控电位器(51)数控电容器(52)、第一计数器(6)、第二计数器(7)和数据处理模块(8)组成。

图2是在线后脉冲概率测量系统实施例示意图。它由单光子雪崩光电二极管(1)、淬灭电阻(2)、整形电路(3)、测量电路(4)、8位数控电位器(51)、6位数控电容器(52)、第一计数器(6)、第二计数器(7)和数据处理模块(8)组成。

图3是实施例中8位数控电位器(51)和6位数控电容器(52)的结构示意图。8位数控电位器由8个数控开关(501)和8个电阻(502)组成，其中8个电阻的阻值分别为1R、2R、4R、8R、16R、32R、64R和128R，8位数控电位器的输出端口为A和B。6位数控电位器(51)由6个数控开关(503)和8个电阻(504)组成，其中6个电容的容值分别为1C、2C、4C、8C、16C和32C，6位数控电容器(52)的输出端口为E和F。数据处理模块(8)输出控制字对8位数控电位器(51)和6位数控电容器(52)进行控制，当控制字为“1”时，数控开关呈打开状态；当控制字为“0”时，数控开关呈关闭状态。

图4是根据统计数据建立直方图分析的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图2给出在线后脉冲概率测量系统的实施例。它由单光子雪崩光电二极管(1)、淬灭电阻(2)、整形电路(3)、测量电路(4)、数控电位器(51)、数控电容器(52)、第一计数器(6)、第二计数器(7)和数据处理模块(8)组成。

实施例中单光子雪崩光电二极管(1)反向偏置在击穿电压以上，工作于单光子探测模式，光子入射引发雪崩效应在阳极输出雪崩事件脉冲。整形电路(3)将雪崩事件脉冲整形为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号，信号分为两路一路输出到测量电路(4)，另外一路输出到第二计数器(7)。测量电路(4)中设置一个可调整的时间间隔阈值，判断是或发生后脉冲，如果两个相邻雪崩脉冲之间的时间间隔小于时间间隔阈值，则测量电路(4)将自动将两个脉冲合并为一个脉冲以此消除该后脉冲，通过控制数字电位器(51)和数控电容器的输出可以对测量电路(4)的时间间隔阈值进行调整。

后脉冲概率的实时测量具体过程如下：数据处理模块(8)输出控制字“0000 0001”和“0000 0001”至数控电位器(51)和数控电容器(52)，数控电位器(51)输出1R且数控电容器(52)输出1C，此时测量电路(4)的时间间隔阈值设置为t