死時間產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于單光子探測器的死時間產(chǎn)生方法,該方法使用了控制器對光電脈沖信號進行屏蔽以產(chǎn)生死時間，當(dāng)檢測到有效光子信號后，通過對內(nèi)部時鐘計數(shù)的方式將屏蔽電信號拉低，并利用邏輯與運算使光電脈沖信號在屏蔽電信號低電平時不會輸出，從而實現(xiàn)了單光子探測器中的死時間控制。本發(fā)明簡化了死時間的產(chǎn)生方法，避免了傳統(tǒng)的反饋控制電路存在的“控制盲區(qū)”問題，使得單光子探測在高重復(fù)頻率下依然可以實現(xiàn)精確地死時間控制，數(shù)字化的時間控制方法也使得死時間的設(shè)定范圍和精度得到提升，并支持動態(tài)修改功能，具有更好的靈活性和穩(wěn)定性；有效提升了單光子探測的數(shù)據(jù)可靠性。
【專利說明】死時間產(chǎn)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單光子探測器領(lǐng)域，具體涉及在高速單光子探測器中，提供一種死時間產(chǎn)生方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子探測技術(shù)是指能夠?qū)蝹€光子產(chǎn)生響應(yīng)的光電探測技術(shù)，其超高靈敏度使其在超靈敏光譜，量子通信，生物發(fā)光等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前實現(xiàn)單光子探測技術(shù)的手段有雪崩光電二極管(APD)探測，超導(dǎo)探測，光電倍增管探測等。其中利用雪崩光電二極管APD實現(xiàn)的單光子探測器工作穩(wěn)定、驅(qū)動簡單，是目前被使用得最多的單光子探測實現(xiàn)手段。
[0003]衡量雪崩光電二極管APD單光子探測器的性能好壞有幾項重要參數(shù)包括:暗計數(shù)、量子效率和后脈沖等。其中后脈沖的產(chǎn)生是由于當(dāng)雪崩光電二極管Aro工作處在雪崩狀態(tài)下時，光子打出的電子將產(chǎn)生持續(xù)的碰撞電離，PN結(jié)中的載流子將不斷增加，雖然可以通過關(guān)閉“門脈沖”的方式使雪崩光電二極管APD淬滅，但是載流子并不能在短時間內(nèi)完全釋放，這樣當(dāng)下一個門脈沖到來時，殘留的載流子可能造成一次額外的計數(shù)，這個信號脈沖就稱之為后脈沖，后脈沖并不是由光子激發(fā)產(chǎn)生的，屬于誤計數(shù)，在某些特殊的應(yīng)用如量子通信中，后脈沖將極大的影響系統(tǒng)的誤碼率。
[0004]目前，為了減少后脈沖，一種有效的方法是對探測器設(shè)定死時間，所謂死時間是指在產(chǎn)生一次有效光子計數(shù)后的一段時間內(nèi)不再對新的信號進行響應(yīng)。當(dāng)前常采用的死時間的實現(xiàn)辦法是利用光子信號作為反饋，在得到一次有效計數(shù)后，利用電路邏輯處理手段在一段時間內(nèi)屏蔽門脈沖。這種方式存在一個顯著的缺陷，就是反饋建立的時間往往較長，從得到有效的光子信號，再到信號處理，最后關(guān)斷門脈沖，這段時間往往超過10ns，形成一段“控制盲區(qū)”。這段延時對于低重復(fù)頻率(100MHz以下)不會造成影響，但是對于更高頻率(大于100MHz)而言，由于門脈沖的周期小于10ns，因此在反饋還未建立之前會有新的門脈沖送出，這些門脈沖由于緊挨著有效光子信號，因此更容易產(chǎn)生后脈沖。這種弊端會隨著頻率的升高變得更加明顯，嚴(yán)重影響死時間的控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決上述課題而進行的，目的在于提供一種可實現(xiàn)能夠避免建立反饋時間從而精確控制死時間的死時間產(chǎn)生方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種死時間產(chǎn)生方法，應(yīng)用在雪崩光電二極管APD的探測中，利用屏蔽電信號對雪崩光電二極管APD的光電脈沖信號在預(yù)定拉低時間內(nèi)進行屏蔽，從而使得光電脈沖信號不被響應(yīng)，其特征在于，具有以下步驟:(1)設(shè)定控制器中計數(shù)器的計數(shù)值，根據(jù)被設(shè)定計數(shù)值通過控制器中的內(nèi)部時鐘獲得預(yù)定拉低時間；(2)采集雪崩光電二極管AH)發(fā)出的光電脈沖信號；(3)當(dāng)判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于上升沿后，控制器對光電脈沖信號進行數(shù)據(jù)采集；(4)當(dāng)判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于下降沿后，通過內(nèi)部時鐘開始計時預(yù)定拉低時間，同時，將屏蔽電信號的電平在預(yù)定拉低時間被形成低電平屏蔽電信號；(5)將所采集的光電脈沖信號和低電平屏蔽電信號進行邏輯與運算，所采集的光電脈沖信號在預(yù)定拉低時間內(nèi)不進行輸出，所采集的光電脈沖信號不被響應(yīng)；其中，所采集的光電脈沖信號不被響應(yīng)的死時間的長度等于計數(shù)值除以內(nèi)部時鐘的頻率得到的時間長度。
[0007]在本發(fā)明所提供的死時間產(chǎn)生方法，還可以具有這樣的特征:其中，內(nèi)部時鐘的頻率通過晶振倍頻后產(chǎn)生的頻率確定，根據(jù)設(shè)定計數(shù)值步驟和計數(shù)值得到死時間。
[0008]在本發(fā)明所提供的死時間產(chǎn)生方法，還具有這樣的特征，還包括以下步驟:雪崩光電二極管APD探測器通過接收由控制器發(fā)出的驅(qū)動信號被驅(qū)動開始工作。
[0009]在本發(fā)明所提供的死時間產(chǎn)生方法，還可以具有這樣的特征:其中，控制器通過現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA實現(xiàn)。
[0010]發(fā)明的作用與效果
[0011]根據(jù)本發(fā)明所涉及的死時間產(chǎn)生方法，控制器產(chǎn)生一個高頻率內(nèi)部時鐘，當(dāng)控制器采集到一個有效的光電脈沖信號時，在光電脈沖信號的下降沿到來時開始計數(shù)，并根據(jù)死時間的寬度要求產(chǎn)生屏蔽電信號(屏蔽電信號在死時間范圍內(nèi)為低電平，其余時間為高電平)，然后把屏蔽電信號和光電脈沖信號信號進行邏輯與運算并輸送出，這樣在屏蔽電信號的作用下，死時間內(nèi)所有的光電脈沖信號被屏蔽，即獲得帶有嚴(yán)格寬度死時間要求的輸出信號，當(dāng)屏蔽電信號重新拉高后，控制器又可以對下一次光電脈沖信號進行響應(yīng)，這樣周而復(fù)始的進行，即可實現(xiàn)精確的死時間控制功能。本發(fā)明使用了控制器對雪崩光電二極管Aro的輸出信號進行屏蔽以產(chǎn)生死時間，并支持死時間范圍的精確調(diào)節(jié)。本發(fā)明簡化了死時間的產(chǎn)生方法，并從實現(xiàn)機制上確保了不會有“控制盲區(qū)”產(chǎn)生，使得單光子探測器在高頻時仍可獲得良好的后脈沖抑制效果，即可實現(xiàn)精確的死時間控制功能。數(shù)字化的時間控制方法也使得死時間的設(shè)定范圍和精度得到提升，并支持動態(tài)修改功能，具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法的框圖；
[0013]圖2是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法的流程圖；以及
[0014]圖3是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法中的現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA產(chǎn)生死時間的時序圖。
[0015]具體實施案例
[0016]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明所涉及的死時間產(chǎn)生方法作具體闡述。
[0017]〈實施例〉
[0018]圖1是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法的框圖。
[0019]如圖1所示，在本實施例中的死時間產(chǎn)生方法100中的控制器采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA中的內(nèi)部時鐘頻率為200MHz，通過外部晶振倍頻后產(chǎn)生，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA中的計數(shù)器對內(nèi)部時鐘計數(shù)。
[0020]圖2是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法的流程圖。[0021]如圖2所示，在本實施例中的死時間產(chǎn)生方法100步驟如下:
[0022]步驟S-1:
[0023]設(shè)定計數(shù)器的計數(shù)值，如果要實現(xiàn)IOOns的死時間，則設(shè)定計數(shù)值為20即可。
[0024]步驟S-2:
[0025]現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA產(chǎn)生門脈沖驅(qū)動信號驅(qū)動雪崩光電二極管APD開始工作。
[0026]步驟S-3:
[0027]將雪崩光電二極管Aro采集到單光子信號后將單光子信號的光電脈沖信號signal傳送給現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA。
[0028]步驟S-4:
[0029]當(dāng)現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA判斷到采集到的光電脈沖信號signal出現(xiàn)上升沿時，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA對光電脈沖信號signal進行數(shù)據(jù)采集。
[0030]步驟S-5:
[0031]當(dāng)現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA判斷到采集到的光電脈沖信號signal出現(xiàn)下降沿時，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA中的計數(shù)器開始對內(nèi)部時鐘進行計數(shù)，同時，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA將屏蔽電信號mask的電平拉低得到低電平屏蔽信號，低電平屏蔽信號的低電平時間長度等于內(nèi)部時鐘計數(shù)時間長度。
[0032]步驟S-6:
[0033]將現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA將采集的光電脈沖信號signal和低電平屏蔽信號進行邏輯與運算后，輸送出輸出信號。
[0034]圖3是本發(fā)明實施例中的死時間產(chǎn)生方法中的現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA產(chǎn)生死時間的時序圖。
[0035]如圖3所示，圖3中包含頻率為200MHz的內(nèi)部時鐘21、光電脈沖信號22、低電平屏蔽信號23和輸出信號24。
[0036]內(nèi)部時鐘21作為現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA主時鐘，管理內(nèi)部時序?，F(xiàn)在假設(shè)需要控制死時間長度為35ns，則設(shè)定計數(shù)器的計數(shù)值為7，根據(jù)內(nèi)部時鐘的頻率200MHz和計數(shù)值7可以確定預(yù)定拉低時間即死時間長度為35ns。
[0037]光電脈沖信號signal22中含有第一個脈沖、第二個脈沖和第三個脈沖。第一個脈沖含有上升沿22a和下降沿22b，第三個脈沖含有上升沿22c?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA接收到的光電脈沖信號signal包含有效光電脈沖信號和后脈沖信號，為了更好的說明本發(fā)明，現(xiàn)假設(shè)圖3中第一個脈沖和第三個脈沖為有效光電脈沖信號，第二個脈沖為后脈沖信號。
[0038]低電平屏蔽電信號23中含有低電平信號23a。
[0039]本實施例中，當(dāng)有光電脈沖信號signal從雪崩光電二極管APD輸送出時,現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA通過內(nèi)部時鐘接收光電脈沖信號signal后，判斷得到到光電脈沖信號signal22中出現(xiàn)第一個脈沖的上升沿22a時，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA進行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA判斷得到光電脈沖信號signal22中出現(xiàn)第一個脈沖的下降沿22b時，計時器開始對內(nèi)部時鐘21進行計數(shù)，同時將屏蔽電信號mask的在計數(shù)期間內(nèi)的電平拉低，得到低電平屏蔽信號23。低電平屏蔽信號23的低電平信號23a長度由所設(shè)定的計數(shù)值確定的死時間決定。當(dāng)計數(shù)器計滿7即7個內(nèi)部時鐘周期時，拉高低電平屏蔽信號23的電平。當(dāng)現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA判斷得到光電脈沖信號signal22中第三個脈沖的上升沿22c時，這樣周而復(fù)始的進行數(shù)據(jù)采集。最后將光電脈沖信號signal22和低電平屏蔽信號23做邏輯與運算后，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA輸送出輸出信號24。
[0040]由于第二個脈沖處在低電平屏蔽信號23的低電平信號23a持續(xù)的時間內(nèi)，因此由現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA送出的輸出信號24僅保留了有效光電脈沖信號signal中的第一個脈沖和第三個脈沖，第二個脈沖即后脈沖信號被屏蔽，將不被響應(yīng)。
[0041]實施例的作用與效果
[0042]根據(jù)本發(fā)明所涉及的死時間產(chǎn)生方法，控制器產(chǎn)生一個高頻率內(nèi)部時鐘，當(dāng)控制器采集到一個有效的光電脈沖信號時，在光電脈沖信號的下降沿到來時開始計數(shù)，并根據(jù)死時間的寬度要求產(chǎn)生屏蔽電信號(屏蔽電信號在死時間范圍內(nèi)為低電平，其余時間為高電平)，然后把屏蔽電信號和光電脈沖信號信號進行邏輯與運算并輸送出，這樣在屏蔽電信號的作用下，死時間內(nèi)所有的光電脈沖信號被屏蔽。即獲得帶有嚴(yán)格寬度死時間要求的輸出信號。當(dāng)屏蔽電信號重新拉高后，控制器又可以對下一次光電脈沖信號進行響應(yīng)，這樣周而復(fù)始的進行，即可實現(xiàn)精確的死時間控制功能。本發(fā)明使用了控制器對雪崩光電二極管APD的輸出信號進行屏蔽以產(chǎn)生死時間，并支持死時間范圍的精確調(diào)節(jié)；本發(fā)明簡化了死時間的產(chǎn)生方法，并從實現(xiàn)機制上確保了不會有“控制盲區(qū)”產(chǎn)生，使得單光子探測器在高頻時仍可獲得良好的后脈沖抑制效果，即可實現(xiàn)精確的死時間控制功能。數(shù)字化的時間控制方法也使得死時間的設(shè)定范圍和精度得到提升，并支持動態(tài)修改功能，具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。
[0043]在本實施例中的現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA，用于對光電脈沖信號進行屏蔽以產(chǎn)生死時間，當(dāng)檢測到有效光電脈沖信號后，通過對內(nèi)部時鐘計數(shù)的方式將屏蔽電信號拉低，并利用邏輯與運算使光電脈沖信號在屏蔽電信號低電平時不會被輸出，從而實現(xiàn)了單光子探測器中的死時間控制。從而簡化了死時間的產(chǎn)生方法，避免了傳統(tǒng)的反饋控制電路存在的“控制盲區(qū)”問題，使得單光子探測在高重復(fù)頻率下依然可以實現(xiàn)精確地死時間控制，現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA的數(shù)字化的時間控制方法也使得死時間的設(shè)定范圍和精度得到提升，并支持動態(tài)修改功能，具有更好的靈活性和穩(wěn)定性；有效提升了單光子探測的數(shù)據(jù)可靠性。
[0044]上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種死時間產(chǎn)生方法，應(yīng)用在雪崩光電二極管APD的探測中，利用屏蔽電信號對雪崩光電二極管APD的光電脈沖信號在預(yù)定拉低時間內(nèi)進行屏蔽，從而使得光電脈沖信號不被響應(yīng)，其特征在于，具有以下步驟: (1)設(shè)定控制器中計數(shù)器的計數(shù)值，根據(jù)被設(shè)定所述計數(shù)值通過所述控制器中的內(nèi)部時鐘獲得所述預(yù)定拉低時間； (2)米集所述雪崩光電二極管APD發(fā)出的所述光電脈沖信號； (3)當(dāng)判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于上升沿后，所述控制器對光電脈沖信號進行數(shù)據(jù)采集； (4)當(dāng)判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于下降沿后，通過所述內(nèi)部時鐘開始計時所述預(yù)定拉低時間，同時，將所述屏蔽電信號的電平在所述預(yù)定拉低時間被形成低電平屏蔽電信號； (5)將所采集的光電脈沖信號和所述低電平屏蔽電信號進行邏輯與運算，所述所采集的光電脈沖信號在所述預(yù)定拉低時間內(nèi)不進行輸出，所采集的光電脈沖信號不被響應(yīng)； 其中，所述所采集的光電脈沖信號不被響應(yīng)的死時間的長度等于所述計數(shù)值除以所述內(nèi)部時鐘的頻率得到的時間長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的死時間產(chǎn)生方法，其特征在于: 其中，所述內(nèi)部時鐘的頻率通過晶振倍頻后產(chǎn)生的頻率確定，根據(jù)所述設(shè)定所述計數(shù)值步驟和所述計數(shù)值得到所述死時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的死時間產(chǎn)生方法，其特征在于，還包括以下步驟: 所述雪崩光電二極管APD探測器通過接收由所述控制器發(fā)出的驅(qū)動信號被驅(qū)動開始工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的死時間產(chǎn)生方法，其特征在于: 其中，所述控制器通過現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPGA實現(xiàn)。
【文檔編號】G01J11/00GK104020702SQ201410251335
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】陳杰, 曾和平 申請人:上海理工大學(xué)