專利名稱：具有相位調(diào)節(jié)器的光子探測(cè)方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以選通模式(gated mode)來(lái)驅(qū)動(dòng)諸如雪崩光電二極管之類的能夠探測(cè)單光子的光接收元件的光子探測(cè)電路。更具體地，本發(fā)明涉及將光接收元件的輸出信號(hào)處理為離散采樣數(shù)據(jù)的光子探測(cè)電路和方法。
背景技術(shù)：
在光子接收器中，雪崩光電二極管(在下文中稱為APD)通常用作用于探測(cè)單光子的元件?；镜?，通過(guò)將APD反向偏置在它的擊穿電壓(VBd)以上來(lái)使得APD的增殖因數(shù)極其地高，由此單光子所感生的光電流被放大到信號(hào)振幅足夠大的程度。因此，外部電路可以執(zhí)行處理。
為了實(shí)現(xiàn)單光子通過(guò)光纖的長(zhǎng)距離傳輸，1.55-um波長(zhǎng)帶中敏感的基于化合物的APD是光子探測(cè)元件的最佳選擇。如Levine, B. F., Bethea, C.G., and Campbell, J. C., "Near room temperature 1.3 um single photon countingwith a InGaAs avalanche photodiode," Electronics Letters, vol. 20, No. 14 (July1984), pp. 596-598中所描述的，在利用化合物APD的單光子探測(cè)器中，冷卻APD元件和應(yīng)用選通模式是極其重要的。隨著其波形被疊加在選通脈沖的差分波形上，從以選通模式驅(qū)動(dòng)的APD輸出的光子探測(cè)信號(hào)被輸出。此差分波形也稱為"充電脈沖"，因?yàn)椴罘植ㄐ慰蓺w因于APD的p-n結(jié)的寄生電容。
當(dāng)電路頻帶增加時(shí)，充電脈沖作為大振幅而被觀測(cè)到，這使得難以探測(cè)小振幅的光子探測(cè)信號(hào)。然而，隨著解決此問(wèn)題的高精度充電脈沖補(bǔ)償方案的出現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)高敏感的光子探測(cè)，在以下論文中建議了這些方案參 Bethune， D. S., Risk, W. P.， and Pabst, G. W.， "A high-performanceintegrated single-photon detector for telecom wavelengths," Journal ofModern Optics, Vol. 51, No. 9-10 (June 2004), pp. 1359-1368,參 Ribordy, G., Gisin, N.， Guinnard, O., Stucki, D., Wegmuller, M., andZbinden， H., "Photon counting at telecom wavelengths with commercialInGaAs/InP avalanche photodiodes: current performance," Journal ofModernOptics, Vol. 51,No. 9-10 (June 2004), pp. 1381-1398,以及
參 Yoshizawa， A.， Kaji, R.， and Tsuchida, H., "Gated-mode single-photondetection at 1550 nm by discharge pulse counting," APPLIED PHYSICSLETTERS, Vol, 84， No. 18 (May 2004), pp. 3606-3608.此外，被指出的是上述充電脈沖補(bǔ)償電路具有由元件之中的個(gè)別特性
的變化引起的充電脈沖補(bǔ)償?shù)恼`差問(wèn)題，并且在以下文檔中建議了用于解
決此問(wèn)題的方法
參 Takahashi, S., Tajima, A., and Tomita, A., "High-efficiency single photondetector combined with an ultra-small APD module and a self-trainingdiscriminator for high-speed quantum cryptosystems," Technical digest ofthe 13th Microoptics Conference MOC，07 (October 2007), Post deadlinepapers, PD1,以及
參 Japanese Patent Application Unexamined Publication No. 2006-284202(JP2006-284202).
根據(jù)Bethune， D. S.等、Ribordy, G.等以及Yoshizawa, A.等建議的方案，當(dāng)執(zhí)行充電脈沖補(bǔ)償和信號(hào)鑒別時(shí)，APD輸出信號(hào)作為模擬信號(hào)而被處理。另一方面，根據(jù)Takahashi, S.等以及JP2006-284202描述的方法，通過(guò)使用高速模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器來(lái)采樣APD輸出波形，并且通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)執(zhí)行充電脈沖補(bǔ)償和信號(hào)鑒別(在下文中，此方案將稱為ADC方案)。根據(jù)基于模擬處理的方案，必需設(shè)置用于生成補(bǔ)償信號(hào)的電路并且必需針對(duì)APD的類型和APD特有的性質(zhì)而合適地調(diào)節(jié)延遲。然而，根據(jù)ADC方案，因?yàn)檠a(bǔ)償波形是利用過(guò)去的APD輸出波形生成的，所以不需要個(gè)別的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致了批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。在下文中，將給出對(duì)基于Takahashi, S.等以及JP2006-284202描述的ADC方案的光子探測(cè)電路的簡(jiǎn)要描述。
圖1A是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理執(zhí)行充電脈沖補(bǔ)償和信號(hào)鑒別的光子探測(cè)電路的示意配置圖。圖1B是示出此光子探測(cè)電路中選通脈沖和APD輸出信號(hào)的示例的波形圖。參考圖1A，疊加在直流偏置電壓上的周期性選通
脈沖Sl (見(jiàn)圖IB)從選通生成電路2施加到APD 1。因此，包括選通脈沖Sl的差分波形的APD輸出信號(hào)S2 (見(jiàn)圖1B)從APD 1輸出。這里，示出了當(dāng)光子在施加第(N+l)個(gè)選通脈沖的定時(shí)進(jìn)入并且由光子引起的接收光分量疊加在選通脈沖的差分波形上時(shí)，APD輸出信號(hào)S2的波形示例。
APD輸出信號(hào)S2被采樣電路3根據(jù)采樣時(shí)鐘信號(hào)而采樣，并且作為離散采樣數(shù)據(jù)S3 (在下文中，稱為采樣波形)被輸出至選通時(shí)段波形平均部件4。選通時(shí)段波形平均部件4平均各個(gè)選通時(shí)段中的采樣波形S3，并且將平均波形S4輸出至鑒別部件5。如果光子的到達(dá)率低，那么平均波形S4大體接近差分波形。因此，鑒別部件5判斷采樣波形S3和平均波形S4之間的差異，從而輸出充電脈沖被補(bǔ)償?shù)墓庾犹綔y(cè)信號(hào)S4。
然而，在APD輸出信號(hào)作為離散數(shù)據(jù)而被采樣和處理的情況下，有一些時(shí)候采樣波形的誤差因?yàn)橹T如采樣時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)之類的一些原因而被擴(kuò)大，導(dǎo)致了鑒別中的降低的精度。也就是說(shuō)，因?yàn)槌潆娒}沖范圍內(nèi)的信號(hào)具有相當(dāng)高的振幅改變率，所以相比采樣點(diǎn)的改變，被采樣信號(hào)的電平大幅(widely)改變。也就是說(shuō)，如果采樣時(shí)鐘信號(hào)有抖動(dòng)，那么即使每個(gè)充電脈沖范圍中的采樣結(jié)果應(yīng)當(dāng)是基本恒定的，結(jié)果也大幅波動(dòng)。此事實(shí)是ADC方案的特性。
采樣波形S3的這種波動(dòng)對(duì)基于采樣波形S3與平均波形S4的差異來(lái)鑒別光子探測(cè)的鑒別部件5而言意味著增加的誤差。具體地，如果根據(jù)具有系統(tǒng)中所預(yù)期的最大抖動(dòng)偏離的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)采樣APD輸出信號(hào)S2，那么所產(chǎn)生的采樣波形S3具有與平均波形S4的電平不同的電平。當(dāng)通過(guò)比較采樣波形S3和平均波形S4來(lái)執(zhí)行信號(hào)鑒別時(shí)，由抖動(dòng)引起的波形差異可能被錯(cuò)誤地鑒別并認(rèn)作光子探測(cè)。為了減少由這種錯(cuò)誤鑒別引起的誤差，必需為鑒別設(shè)置高閾值，這可能由于遺漏小信號(hào)的探測(cè)而導(dǎo)致光子探測(cè)效率的降低。在下文中，將更具體地描述采樣抖動(dòng)的影響。
圖2A是示出APD輸出信號(hào)S2的采樣點(diǎn)和波形的示圖，并且圖2B是示出由采樣抖動(dòng)引起的采樣波形S3與平均波形S4的波形偏離的示圖。參考圖2A，如果采樣點(diǎn)如圖2A中采樣點(diǎn)A和采樣點(diǎn)B處所示的那樣相對(duì)于APD輸出信號(hào)S2的波形而偏離，可以發(fā)現(xiàn)，尤其是在采樣波形S3的電平具體地相對(duì)于時(shí)間大幅改變的范圍中，在信號(hào)電平中發(fā)生了大的變化。
參考圖2B，如果用于采樣波形S3的采樣點(diǎn)偏離了，并且相對(duì)于空心圓所示出的平均波形S4獲得了如實(shí)心圓所示的采樣波形S3，那么鑒別光子探測(cè)的鑒別窗口內(nèi)的采樣波形S3的信號(hào)電平中發(fā)生了變化。因此，如果通過(guò)比較采樣波形S3和平均波形S4來(lái)執(zhí)行信號(hào)鑒別，那么存在由抖動(dòng)引起的波形差異被錯(cuò)誤地認(rèn)作光子探測(cè)的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供即使采樣時(shí)鐘信號(hào)有抖動(dòng)也可實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)鑒別的光子探測(cè)電路和光子探測(cè)方法。
根據(jù)本發(fā)明， 一種光子探測(cè)電路包括光接收元件，具有預(yù)定時(shí)段的周期性選通脈沖被施加到該光接收元件；選通脈沖波形平均部件，該選通脈沖波形平均部件用于平均預(yù)定時(shí)段中的采樣波形數(shù)據(jù)以生成平均波形數(shù)據(jù)，其中采樣波形數(shù)據(jù)是從光接收元件的輸出信號(hào)獲得的；相位調(diào)節(jié)器，
該相位調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)的相位中的至少一個(gè)，從而平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)之間的相位差消失；以及鑒別器，該鑒別器用于基于經(jīng)相對(duì)相位調(diào)節(jié)的采樣波形數(shù)據(jù)和平均波形數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)鑒別光子探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明， 一種利用光接收元件的光子探測(cè)方法，具有預(yù)定時(shí)段的周期性選通脈沖被施加到該光接收元件，該方法包括平均預(yù)定時(shí)段中的采樣波形數(shù)據(jù)以生成平均波形數(shù)據(jù)，其中采樣波形數(shù)據(jù)是從光接收元件的輸出信號(hào)獲得的；調(diào)節(jié)平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)的相位中的至少一個(gè)，從而平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)之間的相位差消失；以及基于經(jīng)相對(duì)相位調(diào)節(jié)的采樣波形數(shù)據(jù)和平均波形數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)鑒別光子探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明，即使采樣時(shí)鐘信號(hào)有抖動(dòng)也可高精度地鑒別光子探測(cè)。


圖1A是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理執(zhí)行充電脈沖補(bǔ)償和信號(hào)鑒別的光子探測(cè)電路的示意配置圖。
圖1B是示出此光子探測(cè)電路中選通脈沖和APD輸出信號(hào)的示例的波形圖。
圖2A是示出APD輸出信號(hào)的采樣點(diǎn)和波形的示圖。
圖2B是示出由采樣抖動(dòng)引起的采樣波形與平均波形的波形偏離的示圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光子探測(cè)電路的示意配置的框圖。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。
圖5A是示出APD輸出信號(hào)的采樣點(diǎn)和波形的示圖。
圖5B是用于描述由采樣抖動(dòng)等引起的采樣波形與平均波形的波形偏
離以及相位檢測(cè)操作的示圖。
圖5C是示出經(jīng)相位調(diào)節(jié)的采樣波形和平均波形以及經(jīng)插值的平均波
形的示圖。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。
圖7A是示出APD輸出信號(hào)的波形的示圖。
圖7B是示出根據(jù)采樣時(shí)鐘信號(hào)來(lái)獲得的采樣波形的示圖。
圖7C是根據(jù)高速采樣時(shí)鐘信號(hào)來(lái)獲得的采樣波形的一部分(充電脈
沖部分)的放大示圖，該部分即相位比較窗口前的某位置與相位比較窗口
后的某位置之間的部分。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第三示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第四示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。
圖IOA是示出APD輸出信號(hào)的波形的示圖。
圖IOB是示出根據(jù)高速采樣時(shí)鐘信號(hào)來(lái)獲得的采樣波形的示圖。
圖10C是示出用于相位比較窗口和鑒別窗口的選擇的開(kāi)關(guān)定時(shí)信號(hào)的
波形圖。
9具體實(shí)施方式
l.示例性實(shí)施例
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光子探測(cè)電路的示意配置的框圖。這里，作為示例，示出了使用雪崩光電二極管(APD)作為能通過(guò)選通脈沖驅(qū)動(dòng)來(lái)探測(cè)光子的光接收元件的光子探測(cè)電路。
選通生成電路11以預(yù)定的間隔將周期性選通脈沖S20施加到APD10。選通生成電路11根據(jù)選通時(shí)鐘信號(hào)CLKg來(lái)生成具有選通時(shí)段的周期性選通脈沖S20。因此，APD 10在選通時(shí)段輸出包括了選通脈沖S20的差分波形的APD輸出信號(hào)S21。當(dāng)在周期性選通脈沖S20被施加的同時(shí)發(fā)生光子信號(hào)Sl的入射時(shí)，輸出是APD輸出信號(hào)S21，在APD輸出信號(hào)S21中由光子的到達(dá)引起的接收光分量疊加在周期性選通脈沖S20的相應(yīng)選通脈沖的差分波形上。
APD輸出信號(hào)S21被采樣部件12根據(jù)采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs而采樣，并且作為離散采樣時(shí)間序列數(shù)據(jù)S22 (在下文中，稱為采樣波形S22)輸出至選通時(shí)段波形平均部件13。選通時(shí)段波形平均部件13接收作為輸入的選通時(shí)鐘信號(hào)CLKg和采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs，在每個(gè)采樣點(diǎn)都平均各個(gè)選通時(shí)段中的采樣波形S22，然后將平均時(shí)間序列數(shù)據(jù)S23 (在下文中，稱為平均波形S23)輸出至相位調(diào)節(jié)器。
相位調(diào)節(jié)器包括相位差檢測(cè)部件14和移相部件15。相位差檢測(cè)部件14通過(guò)比較相位比較窗口的時(shí)間跨度內(nèi)的采樣波形S22和平均波形S23來(lái)檢測(cè)相位差，并且將相位差作為相位差信號(hào)S24輸出至移相部件15。
移相部件15移動(dòng)采樣波形S22和平均波形S23中的任何一個(gè)(相對(duì)于另一個(gè))的相位從而相位差變?yōu)榱恪Ｒ葡嗖考?5然后向鑒別部件16輸出彼此同相的采樣波形S22c和平均波形S23c。
鑒別部件16檢測(cè)鑒別窗口的時(shí)間跨度內(nèi)的采樣波形S22c相對(duì)于平均波形S23c的差異，然后輸出此檢測(cè)到的差異和預(yù)定閾值之間的比較結(jié)果作為光子探測(cè)信號(hào)S25。
如前所述，當(dāng)光子信號(hào)Sl具有低的光子到達(dá)率時(shí)，平均波形S23大體接近選通脈沖S20的差分波形。因此，鑒別部件16可從采樣波形S22c與平均波形S23c的差異獲得充電脈沖被補(bǔ)償?shù)墓庾犹綔y(cè)信號(hào)S25。
此外，根據(jù)本示例性實(shí)施例，對(duì)鑒別部件16的輸入是彼此同相的采樣波形S22c和平均波形S23c。因此，即使由于采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs的抖動(dòng)而在采樣部件12發(fā)生了采樣點(diǎn)的偏離，也可執(zhí)行精確的光子探測(cè)。換言之，通過(guò)采樣波形S22c和平均波形S23c之間的比較來(lái)估計(jì)采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs的抖動(dòng)，由此可避免信號(hào)鑒別中的精度惡化。
注意，與采樣部件12、選通時(shí)段波形平均部件13、相位差檢測(cè)部件14、移相部件15以及鑒別部件16等同的功能還可通過(guò)在諸如CPU之類的程序控制的處理器上執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.第一示例2.1)配置
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。在預(yù)定時(shí)段(選通時(shí)段)疊加在直流偏置電壓上的周期性選通脈沖S20從選通生成電路102施加到APD 101。選通生成電路102在根據(jù)選通時(shí)鐘信號(hào)CLKg的選通時(shí)段生成反向偏置電壓等于或高于APD 101的擊穿電壓(VBd)的周期性選通脈沖S20。因此，APD 101輸出包括了具有選通時(shí)段的選通脈沖S20的差分波形的APD輸出信號(hào)S21。如前所述，當(dāng)在周期性選通脈沖S20被施加的同時(shí)發(fā)生光子信號(hào)Sl的入射時(shí)，輸出是APD輸出信號(hào)S21，在APD輸出信號(hào)S21中由光子的到達(dá)引起的接收光分量疊加在周期性選通脈沖S20的差分波形上。
APD輸出信號(hào)S21被采樣部件103根據(jù)采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs而采樣，并且作為離散采樣波形S22輸出至選通時(shí)段波形平均部件。選通時(shí)段波形平均部件包括存儲(chǔ)部件104、波形平均部件105和存儲(chǔ)控制部件106。存儲(chǔ)部件104存儲(chǔ)采樣波形S22，波形平均部件105從采樣波形S22生成平均波形S23。
更具體地，在存儲(chǔ)控制部件106的地址控制之下以時(shí)間序列將采樣波形S22寫入存儲(chǔ)部件104。波形平均部件105讀出每個(gè)選通時(shí)段中的該時(shí)間序列采樣波形S22，并且計(jì)算各個(gè)選通時(shí)段中的每個(gè)采樣點(diǎn)處的平均電
平，從而生成選通時(shí)段中的平均波形S23。
因此而生成的平均波形S23被輸入至相位調(diào)節(jié)器107，其中平均波形 S23與采樣波形S22同相。相位調(diào)節(jié)器107可由如上所述的相位差檢測(cè)部 件14和移相部件15組成。然而，在本示例中，通過(guò)僅移動(dòng)平均波形S23 的相位來(lái)使平均波形S23與采樣波形S22同相。
經(jīng)相位調(diào)節(jié)的平均波形S23c被輸入至插值部件108。插值部件108從 平均波形S23c生成經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30 (將稍后描述)，并且將經(jīng)補(bǔ)償 的平均波形S30輸出至鑒別部件109。鑒別部件109根據(jù)選通時(shí)鐘信號(hào) CLKg來(lái)接收采樣波形S22以及經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30作為輸入，并且通 過(guò)計(jì)算這兩個(gè)波形之間的差異來(lái)判斷光子探測(cè)是否發(fā)生，因此生成光子探 測(cè)信號(hào)S31。
順便提及，選通時(shí)鐘信號(hào)CLKg和采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs中的每一個(gè)都 是由時(shí)鐘信號(hào)源110和時(shí)鐘信號(hào)處理部件111生成的。選通時(shí)鐘信號(hào) CLKg被輸出至選通生成部件102、存儲(chǔ)控制部件106以及鑒別部件109， 同時(shí)采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs被輸出至采樣部件103和存儲(chǔ)控制部件106。 2.2)相位調(diào)節(jié)和插值
接下來(lái)，將給出對(duì)用于由根據(jù)本示例的光子探測(cè)電路中的相位調(diào)節(jié)器 107和插值部件108生成經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30的操作的描述。
圖5A是示出APD輸出信號(hào)S21的采樣點(diǎn)和波形的示圖。圖5B是用 于描述由采樣抖動(dòng)等引起的采樣波形S22與平均波形S23的波形偏離的、 以及用于描述相位檢測(cè)操作的示圖。圖5C是示出經(jīng)相位調(diào)節(jié)的采樣波形 S22c和平均波形S23c以及經(jīng)插值的平均波形的示圖。
這里，將給出對(duì)采樣點(diǎn)相對(duì)于圖5A所示的APD輸出信號(hào)S21的波形 而偏離的情況的考慮。在此情況下，如圖5B所示，相對(duì)于空心圓所示的 平均波形S23的相位移動(dòng)了實(shí)心圓所示的采樣波形S22的相位。
如已經(jīng)描述的，當(dāng)光子一入射到APD IOI上電流就流動(dòng)時(shí)，接收光分 量出現(xiàn)在鑒別窗口 Wd所指示的時(shí)間跨度中。因此，采樣波形S22和平均 波形S23最初應(yīng)該具有與選通脈沖的上升部分相對(duì)應(yīng)的充電脈沖的相同值。然而，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)的偏離，如圖5B中的空心圓和實(shí)心圓所示的那樣 產(chǎn)生了波形差異。
因此，根據(jù)本示例，對(duì)于與選通脈沖的上升部分相對(duì)應(yīng)的充電脈沖設(shè) 置相位比較窗口 Wph，并且相位差檢測(cè)部件14計(jì)算相位比較窗口 Wph的 時(shí)間跨度內(nèi)的采樣波形S22和平均波形S23之間的相位差，該相位差將作 為相位差信號(hào)S24而被輸出。例如，可通過(guò)計(jì)算作為對(duì)平均波形S23的近 似的近似波形201，然后計(jì)算近似波形201與采樣波形S22的時(shí)間差，來(lái) 獲得相位差。這里示出的近似波形201是通過(guò)線性逼近相位比較窗口 Wph 的時(shí)間跨度內(nèi)的平均波形S23來(lái)獲得的示例。移相部件15將平均波形S23 移動(dòng)相位差信號(hào)S24所指示的相位差，從而生成平均波形S23c，平均波形 S23c然后被輸出至插值部件108。
插值部件108通過(guò)在經(jīng)相位調(diào)節(jié)的平均波形S23c的采樣值之間插值 來(lái)生成經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30，并且將經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30輸出至鑒別 部件109。經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠骄ㄐ蜸30是采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs的抖動(dòng)被補(bǔ)償?shù)?平均波形。因此，隨著鑒別窗口 Wd的時(shí)間跨度中的誤差已被補(bǔ)償，經(jīng)補(bǔ) 償?shù)钠骄ㄐ蜸30和采樣波形S22如圖5C所示的那樣彼此重合。因此， 可避免錯(cuò)誤的探測(cè)。 2.3)效果
根據(jù)本發(fā)明的第一示例，采樣波形S22和平均波形S23彼此同相，插 值經(jīng)相位調(diào)節(jié)的平均波形S23c，并且使經(jīng)插值的平均波形S23c經(jīng)受光子 探測(cè)的鑒別。因此，即使由于采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs的抖動(dòng)而在采樣部件 103發(fā)生了采樣點(diǎn)的偏離，也可以在鑒別部件109執(zhí)行精確的光子探測(cè)。
3.第二示例
可通過(guò)縮短根據(jù)第一示例的上述光子探測(cè)電路中采樣部分103處的采 樣時(shí)段，來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)采樣波形的插值中的精度。在根據(jù)本發(fā)明的第二示 例的光子探測(cè)電路中，為了改進(jìn)平均波形的插值中的精度，增加了縮短采 樣波形存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)部件的間隔的功能。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。然而，注意，具有與根據(jù)第一示例的電路的那些框相同的功能的框通過(guò)圖4 所示的相同參考標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示，并且對(duì)它們的詳細(xì)描述將省略。
在第二示例中，采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs被輸入至可變延遲部件120，并 且被輸出到采樣部件103和存儲(chǔ)控制部件106中的每一個(gè)作為采樣時(shí)鐘信 號(hào)CLKs+。可變延遲部件120處產(chǎn)生的延遲量通過(guò)來(lái)自延遲控制部件121 的延遲控制信號(hào)S40來(lái)控制，延遲控制信號(hào)S40導(dǎo)致采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs 的相位移動(dòng)小于27t的量。從而，可提高采樣時(shí)間分辨率。
此外，來(lái)自延遲控制部件121的延遲控制信號(hào)S40還被供應(yīng)至存儲(chǔ)控 制部件106，由此可執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)部件104的存儲(chǔ)地址的控制，反映了延遲 量。具體地，存儲(chǔ)控制部件106執(zhí)行對(duì)于與用于調(diào)節(jié)延遲量的階段 (step)的數(shù)目相對(duì)應(yīng)的大存儲(chǔ)地址空間的控制。
采樣部件103根據(jù)來(lái)自可變延遲部件120的采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs+來(lái)采 樣APD輸出信號(hào)S21，從而生成采樣波形S41。采樣波形S41具有與采樣 時(shí)鐘信號(hào)CLKs+的周期等同的時(shí)間分辨率。在本示例中，在執(zhí)行光子探測(cè) 序列前定義用于生成具有高精度的平均波形S42的訓(xùn)練序列(training sequence)，并且在此訓(xùn)練序列期間可操作可變延遲部件120。
作為示例，將給出對(duì)于以0、 7t/2、 7t和3TT/2的四個(gè)階段來(lái)控制可變延 遲部件120處產(chǎn)生的延遲量的情況的描述。
圖7A是示出APD輸出信號(hào)S21的波形的示圖，圖7B是示出根據(jù)采 樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs來(lái)獲得的采樣波形S22的示圖，并且圖7C是根據(jù)采樣 時(shí)鐘信號(hào)CLKs+來(lái)獲得的采樣波形S41的一部分(充電脈沖部分)的放大 示圖，該部分即相位比較窗口 Wph前的某位置與相位比較窗口 Wph后的 某位置之間的部分。
在本示例中，因?yàn)榭勺冄舆t部件120處產(chǎn)生的延遲量是以0、 7t/2、 7t 和3tt/2的四個(gè)階段來(lái)控制的，所以APD輸出信號(hào)S21如圖7C中空心圓所 示出的那樣被以四倍高的時(shí)間分辨率采樣，并且采樣波形S41存儲(chǔ)在存儲(chǔ) 部件104中。需要存儲(chǔ)部件104具有與增加的分辨率相對(duì)應(yīng)的、即與可變 延遲部件120處產(chǎn)生的可變階段的數(shù)目相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量。在此情況下， 如果以四個(gè)階段來(lái)控制延遲，那么存儲(chǔ)部件104具有四倍于圖4所示的存儲(chǔ)部件104的存儲(chǔ)容量。
如上所述，根據(jù)第二示例，通過(guò)可變延遲控制來(lái)掃描釆樣時(shí)鐘信號(hào)
CLKs，并且增加存儲(chǔ)部件104的容量以便容納由這種延遲控制引起的增加 的數(shù)據(jù)量，由此可提高所生成的平均波形S42的時(shí)間分辨率。因此，改進(jìn) 了相位調(diào)節(jié)器107的相位比較處理中的精度。也就是說(shuō)，即使采樣時(shí)鐘信 號(hào)CLKs的周期相比充電脈沖的時(shí)間寬度是寬的，也可避免惡化相位比較 中的精度。
4.第三示例
根據(jù)上述第二示例的光子探測(cè)電路，通過(guò)縮短采樣部件103處的采樣 時(shí)段來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)了采樣波形的插值中的精度。然而，根據(jù)本發(fā)明的第三 示例的光子探測(cè)電路，可通過(guò)充分地提高采樣時(shí)間分辨率來(lái)省略插值處 理。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第三示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。然 而，注意，具有與根據(jù)第二示例的電路的那些框相同的功能的框通過(guò)圖6 所示的相同參考標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示，并且對(duì)它們的詳細(xì)描述將省略。根據(jù)第三示 例，被相位調(diào)節(jié)器107相位調(diào)節(jié)后的平均波形S42c被輸入至選擇器130， 并且被選擇器130輸出到鑒別部件131作為經(jīng)選擇的平均波形S50。
例如，可通過(guò)以0、 t/2、 tt和3 r/2的四個(gè)階段來(lái)控制可變延遲部件 120處產(chǎn)生的延遲量，來(lái)實(shí)現(xiàn)分辨率的四倍提高。然而，可通過(guò)進(jìn)一步細(xì) 微地控制延遲來(lái)減少平均波形S42中的誤差。因此，可通過(guò)增加可變延遲 部件120處產(chǎn)生的延遲的階段的數(shù)目，來(lái)生成具有高到足以不需插值處理 的精度的平均波形S42c。在此情況下，因?yàn)殍b別部件131不需要與平均波 形S42c —樣大的數(shù)據(jù)量，所以選擇器130從平均波形S42c生成大到足夠 執(zhí)行鑒別窗口 Wd中的處理的量的經(jīng)選擇的平均波形S50。換言之，僅僅 與選通時(shí)段中的鑒別窗口 Wd相對(duì)應(yīng)的定時(shí)處的平均波形S42c的部分被輸 出到鑒別部件131作為經(jīng)選擇的平均波形S50就足夠了。
如上所述，通過(guò)增加可變延遲部件120所控制的延遲的階段的數(shù)目， 可生成具有高到足夠省略插值處理的精度的平均波形S42。雖然改進(jìn)采樣精度導(dǎo)致了存儲(chǔ)部件104的容量的增加，但是可省略第一示例中的插值部 件108。因此，可實(shí)現(xiàn)處理電路的尺寸的減小以及插值處理所需要的計(jì)算 時(shí)間的減少。
5.第四示例
根據(jù)上述第三示例，雖然可省略插值處理，但是增加了存儲(chǔ)部件104
的容量。因此，在本發(fā)明的第四示例中，提供了可省略插值處理并且還可
減少存儲(chǔ)部件104的容量的配置。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第四示例的光子探測(cè)電路的配置的框圖。注 意，具有與根據(jù)第三示例的電路的那些框相同的功能的框通過(guò)圖8所示的 相同參考標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示，并且對(duì)它們的詳細(xì)描述將省略。根據(jù)第四示例，開(kāi) 關(guān)140被設(shè)置在選通時(shí)段波形平均部件中的存儲(chǔ)部件104之前，從而避免 存儲(chǔ)部件104的容量的增加。
開(kāi)關(guān)140在存儲(chǔ)控制部件106的控制下選擇性地發(fā)送采樣波形S41至 存儲(chǔ)部件104。具體地，因?yàn)橛糜阼b別處理的采樣波形S41的所需部分僅 是與相位比較窗口 Wph和鑒別窗口 Wd相對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度內(nèi)的那些部分， 所以開(kāi)關(guān)140選擇性地僅將采樣波形S41的所需部分存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)部件 104。因此，可避免存儲(chǔ)部件104的容量的增加。下面將描述具體操作示 例。
圖IOA是示出APD輸出信號(hào)S21的波形的示圖，圖IOB是示出根據(jù) 采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKs+來(lái)獲得的采樣波形S41的示圖，并且圖IOC是示出用 于相位比較窗口 Wph和鑒別窗口 Wd的選擇的開(kāi)關(guān)定時(shí)信號(hào)的波形圖。
如上所述，用于鑒別處理的采樣波形S41的所需部分僅是與相位比較 窗口 Wph和鑒別窗口 Wd相對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度內(nèi)的那些部分。因此，控制開(kāi) 關(guān)140以便僅在與如圖IOC所示的相位比較窗口 Wph和鑒別窗口 Wd相對(duì) 應(yīng)的時(shí)隙期間發(fā)送采樣波形S41至存儲(chǔ)部件104就是足夠的。例如，存儲(chǔ) 控制部件106將具有如圖10C所示的波形的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)輸出至開(kāi)關(guān) 140，并且開(kāi)關(guān)140僅在相位比較窗口的定時(shí)以及在鑒別窗口的定時(shí)才將 采樣波形S41傳遞至存儲(chǔ)部件104，由此其他定時(shí)處的采樣波形S41不存儲(chǔ)在存儲(chǔ)部件104中。
如上所述地執(zhí)行存儲(chǔ)控制，由此可通過(guò)充分地提高采樣時(shí)間分辨率來(lái) 省略插值處理，并且還可減少存儲(chǔ)部件104的容量。
根據(jù)本發(fā)明的光子探測(cè)電路中的任何一個(gè)都可應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)設(shè)
備、量子密碼設(shè)備、光子計(jì)數(shù)器、光時(shí)域反射儀(OTDR)、攝譜儀、暗 視場(chǎng)照相機(jī)等中的任何一個(gè)中的光子探測(cè)部件。
在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，可以以其他具體形式實(shí) 施本發(fā)明。上述示例性實(shí)施例以及示例因此在所有方面都將被認(rèn)為是例示 的并且不是限制性的，本發(fā)明的范圍是通過(guò)權(quán)利要求而不是通過(guò)上述描述 指示的，并且落入權(quán)利要求的等同物的含義及范圍內(nèi)的所有改變因此希望 被包括在權(quán)利要求中。
本申請(qǐng)基于2008年3月24日遞交的、申請(qǐng)?zhí)枮?008-074894的日本 專利申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，該日本專利申請(qǐng)的公開(kāi)通過(guò)引用而被全部并入 于此。
權(quán)利要求
1. 一種光子探測(cè)電路，包括光接收元件，具有預(yù)定時(shí)段的周期性選通脈沖被施加到所述光接收元件；選通脈沖波形平均部件，所述選通脈沖波形平均部件用于平均所述預(yù)定時(shí)段中的采樣波形數(shù)據(jù)以生成平均波形數(shù)據(jù)，其中所述采樣波形數(shù)據(jù)是從所述光接收元件的輸出信號(hào)獲得的；相位調(diào)節(jié)器，所述相位調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)所述平均波形數(shù)據(jù)和所述采樣波形數(shù)據(jù)的相位中的至少一個(gè)，從而所述平均波形數(shù)據(jù)和所述采樣波形數(shù)據(jù)之間的相位差消失；以及鑒別器，所述鑒別器用于基于經(jīng)相對(duì)相位調(diào)節(jié)的所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)鑒別光子探測(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子探測(cè)電路，其中所述相位調(diào)節(jié)器包括相 位差檢測(cè)器，所述相位差檢測(cè)器用于檢測(cè)相位比較窗口中的相位差，所述 相位比較窗口是與所述周期性選通脈沖的一個(gè)選通脈沖的上升部分相對(duì)應(yīng) 的時(shí)間跨度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子探測(cè)電路，其中所述時(shí)間跨度與所述光 接收元件的輸出信號(hào)的振幅的高改變率相對(duì)應(yīng)，所述高改變率大于預(yù)定 值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)電路，其中所述鑒 別器鑒別鑒別窗口中的光子探測(cè)，所述鑒別窗口在時(shí)間上與檢測(cè)所述采樣 波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的時(shí)間跨度不同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)電路，還包括 插值部件，所述插值部件用于插值經(jīng)相位調(diào)節(jié)的所述平均波形數(shù)據(jù)以產(chǎn)生經(jīng)插值的平均波形數(shù)據(jù)，其中所述鑒別器基于所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述經(jīng)插值的平均波形數(shù)據(jù) 之間的差異來(lái)鑒別光子探測(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)電路，還包括可變延遲部件，所述可變延遲部件用于當(dāng)所述光接收元件的輸出信號(hào) 根據(jù)采樣時(shí)鐘而被采樣以獲得所述采樣波形數(shù)據(jù)時(shí)，以預(yù)定的階段來(lái)掃描 所述采樣時(shí)鐘的相位；以及存儲(chǔ)部件，所述存儲(chǔ)部件用于存儲(chǔ)所述預(yù)定時(shí)段中的更密集采樣的波 形數(shù)據(jù)，其中所述更密集采樣的波形數(shù)據(jù)是通過(guò)掃描所述采樣時(shí)鐘的相位 獲得的，其中所述選通脈沖波形平均部件輸入所述更密集采樣的波形數(shù)據(jù)作為 所述預(yù)定時(shí)段中的所述采樣波形數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子探測(cè)電路，還包括選擇器，所述選擇器用于選擇與鑒別窗口相對(duì)應(yīng)的所述平均波形數(shù)據(jù) 的部分以將此部分輸出至所述鑒別器，其中所述鑒別窗口在時(shí)間上與檢測(cè) 所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的時(shí)間跨度不同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光子探測(cè)電路，還包括開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)用于僅將所述采樣波形數(shù)據(jù)的第一部分和第二部分存 儲(chǔ)進(jìn)所述存儲(chǔ)部件，所述第一部分與相位比較窗口相對(duì)應(yīng)，所述相位比較 窗口是用于所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的檢測(cè)的 時(shí)間跨度，所述第二部分與鑒別窗口相對(duì)應(yīng)，所述鑒別窗口在時(shí)間上與所 述相位比較窗口不同。
9. 一種利用光接收元件的光子探測(cè)方法，具有預(yù)定時(shí)段的周期性選通脈沖被施加到所述光接收元件，所述方法包括平均所述預(yù)定時(shí)段中的采樣波形數(shù)據(jù)以生成平均波形數(shù)據(jù)，其中所述采樣波形數(shù)據(jù)是從所述光接收元件的輸出信號(hào)獲得的；調(diào)節(jié)所述平均波形數(shù)據(jù)和所述采樣波形數(shù)據(jù)的相位中的至少一個(gè)，從而所述平均波形數(shù)據(jù)和所述采樣波形數(shù)據(jù)之間的相位差消失；以及基于經(jīng)相對(duì)相位調(diào)節(jié)的所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的 差異來(lái)鑒別光子探測(cè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光子探測(cè)方法，其中所述相位差是在相位 比較窗口中被檢測(cè)的，所述相位比較窗口是與所述周期性選通脈沖的一個(gè) 選通脈沖的上升部分相對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的光子探測(cè)方法，其中所述時(shí)間跨度與所述光接收元件的輸出信號(hào)的振幅的高改變率相對(duì)應(yīng)，所述高改變率大于預(yù)定值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9-11中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)方法，其中所述光子探測(cè)是在鑒別窗口中被鑒別的，所述鑒別窗口在時(shí)間上與檢測(cè)所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的時(shí)間跨度不同。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9-12中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)方法，還包括插值經(jīng)相位調(diào)節(jié)的所述平均波形數(shù)據(jù)以產(chǎn)生經(jīng)插值的平均波形數(shù)據(jù)，其中所述光子探測(cè)是基于所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述經(jīng)插值的平均波形數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)鑒別的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9-13中的任何一個(gè)所述的光子探測(cè)方法，還包括當(dāng)所述光接收元件的輸出信號(hào)根據(jù)采樣時(shí)鐘而被采樣以獲得所述采樣波形數(shù)據(jù)時(shí)，以預(yù)定的階段來(lái)掃描所述采樣時(shí)鐘的相位；以及存儲(chǔ)所述預(yù)定時(shí)段中的更密集采樣的波形數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)部件中，其中所述更密集采樣的波形數(shù)據(jù)是通過(guò)掃描所述采樣時(shí)鐘的相位獲得的，其中輸入所述更密集采樣的波形數(shù)據(jù)作為所述預(yù)定時(shí)段中的所述采樣波形數(shù)據(jù)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的光子探測(cè)方法，還包括選擇與鑒別窗口相對(duì)應(yīng)的所述平均波形數(shù)據(jù)的部分以將此部分輸出至鑒別器，其中所述鑒別窗口在時(shí)間上與檢測(cè)所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的時(shí)間跨度不同。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的光子探測(cè)方法，還包括僅將所述采樣波形數(shù)據(jù)的第一部分和第二部分存儲(chǔ)到所述存儲(chǔ)部件中，所述第一部分與相位比較窗口相對(duì)應(yīng)，所述相位比較窗口是用于所述采樣波形數(shù)據(jù)和所述平均波形數(shù)據(jù)之間的相位差的檢測(cè)的時(shí)間跨度，所述第二部分與鑒別窗口相對(duì)應(yīng)，所述鑒別窗口在時(shí)間上與所述相位比較窗口不同。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有相位調(diào)節(jié)器的光子探測(cè)方法和電路。這種光子探測(cè)電路中光子探測(cè)是通過(guò)在預(yù)定時(shí)段將選通脈沖施加到光接收元件來(lái)執(zhí)行的，該光子探測(cè)電路包括選通時(shí)段波形平均部件，該選通時(shí)段波形平均部件通過(guò)平均各個(gè)預(yù)定時(shí)段中的、從光接收元件輸出的采樣波形數(shù)據(jù)來(lái)生成平均波形數(shù)據(jù)；移相部件，該移相部件移動(dòng)平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)的相位中的至少一個(gè)，從而平均波形數(shù)據(jù)和采樣波形數(shù)據(jù)之間的相位差消失；以及鑒別部件，該鑒別部件基于相對(duì)于經(jīng)相位調(diào)節(jié)的平均波形數(shù)據(jù)的經(jīng)相位調(diào)節(jié)的采樣波形數(shù)據(jù)來(lái)鑒別光子探測(cè)。
文檔編號(hào)G01J11/00GK101545811SQ20091012936
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日
發(fā)明者前田和佳子, 田中聰寬, 田島章雄, 高橋成五 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社