本發明涉及量子保密通信和微弱光信號技術領域，特別涉及一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法。
背景技術：
單光子探測技術是一種實現單個光子量級微弱光檢測的方法，在量子通信、光譜測量、放射探測、高能物理、天文測距、激光雷達等領域有著十分廣泛的應用。在目前的量子通信實驗中，大量采用單光子的狀態作為信息載體進行編碼和處理，單光子探測技術在其中起著極為關鍵的作用。
雪崩光電二極管(apd)單光子探測器以其體積小、低功耗、高性能、實用化等特點在量子通信實驗中廣泛使用。apd的光譜響應覆蓋范圍很廣，主要有三種：si-apd、ge-apd、ingaas/inp-apd，分別對應著400nm～1100nm，800nm～1550nm，900nm～1700nm不同波段的光。在對應的量子通信窗口，單光子的能量都在10-19j量級，達到現有探測器的探測靈敏度極限，研究和改進apd的淬火驅動技術，可實現單光子信號的有效探測。
作為量子信號獲取的核心器件，單光子探測器的探測效率、暗計數、計數率等參數直接影響著量子通信的傳輸距離和成碼率等關鍵性能。探測效率、暗計數等因素受制于探測器本身的性能，而計數率主要由控制驅動電路的死時間決定。
在單光子探測應用中通常工作在所謂的蓋革模式，即apd兩端的偏置電壓高于其雪崩電壓。在蓋革模式中，一旦有光子或熱生成的載流子到達觸發雪崩，就在電路中產生電流脈沖信號。為了保證器件的安全工作，需要使用適當的淬火驅動電路，使雪崩發生后迅速地切斷雪崩，并使apd恢復到接收光子的狀態。
單光子探測器的淬火方式一般有三種：被動淬火、主動淬火、以及門控方式。被動淬火電路利用電阻串聯來降低apd反向偏壓，其死時間較大，影響單光子探測效率。主動淬火采用自反饋的方式可快速淬滅雪崩，并在很短時間內恢復到雪崩前的水平，其優點是死時間短，但通常電路設計復雜。門控方式常用于光子到達時間已知的單光子探測中，使用門控信號進行淬火控制，其優點是可有效降低暗計數和后脈沖發生概率，但要求門信號與光信號精準同步，且無法減少電路讀出的死時間，高速應用受限于計數率。
技術實現要素：
本發明目的在于提供一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法，以實現系統能夠在極短的時間內準確鑒別微弱雪崩信號，及時淬滅雪崩并復位，可有效抑制系統噪聲，實現單光子信號的高速率探測的技術效果。
本發明的技術方案是這樣實現的：
一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路，包括單光子探測器、偏置電壓單元以及門控脈沖單元，單光子探測器的陰極分別與偏置電壓單元、門控脈沖單元連接，且單光子探測器的陰極通過電阻rq連接偏置電壓單元，單光子探測器的陽極通過電阻rs接地，所述控制電路還包括主動自反饋淬火電路單元，所述主動自反饋淬火電路單元連接在單光子探測器的陽極，所述主動自反饋淬火電路單元包括濾波放大器、比較器、淬火控制單元以及探測結果輸出單元，所述濾波放大器的輸入端連接單光子探測器的陽極，所述濾波放大器的輸出端依次連接比較器、淬火控制單元以及探測結果輸出單元，所述淬火控制單元的一輸出端連接有可使單光子探測器陽極端電壓升高致單光子探測器雪崩熄滅的電壓控制器s_quench，所述電壓控制器s_quench一端連接有用于平衡單光子探測器偏置電壓的電源v_q，另一端連接單光子探測器陽極。
優選地，所述淬火控制單元包括第一d觸發器以及第一延時芯片t1，所述第一d觸發器的s接口連接比較器，所述第一d觸發器的r接口通過第一延時芯片t1連接電壓控制器s_quench，所述第一d觸發器的q接口連接探測結果輸出單元。
優選地，所述主動自反饋淬火電路單元還包括偏置復位控制單元，所述偏置復位控制單元包括第二d觸發器與第二延時芯片t2，所述第二d觸發器的s接口連接第一d觸發器的/q接口，所述第二d觸發器的r接口連接第二延時芯片t2的一端，所述第二d觸發器的q接口通過復位開關s_reset連接gnd，所述復位開關s_reset的另一端連接光子探測器的陽極。
優選地，所述控制電路還包括溫控電路，所述溫控電路為tec制冷驅動電路單元，所述tec制冷驅動電路單元連接單光子探測器。
本發明還公開了一種高速自反饋的單光子探測淬火控制方法，包括以下步驟：
1)單光子探測器觸發：光子到達時單光子探測器，觸發雪崩，產生微弱的雪崩電流脈沖信號；
2)淬火控制：雪崩電流脈沖信號經濾波放大后，比較器探測到rs兩端的電壓降，并通過第一d觸發器輸出高電平信號使電壓控制器s_quench閉合，進而使單光子探測器陽極的端電壓升高到v_q，使單光子探測器兩端壓降降低，雪崩熄滅，完成主動淬火；
3)復位控制：第一d觸發器的/q接口輸出信號進入第二d觸發器，對第二d觸發器進行觸發，第二d觸發器輸出電平脈沖使復位開關s_reset閉合，進而使單光子探測器陽極的端電壓下降到gnd，導致單光子探測器兩端壓降恢復到雪崩前，實現偏置復位控制。
4)淬火、復位控制復位：雪崩熄滅，當單光子探測器陽極的端電壓恢復到gnd水平時，電壓控制器s_quench斷開，復位開關s_reset斷開，電路準備好進行下一次光子探測；
5)信號輸出：第一d觸發器輸出信號進入探測結果輸出單元，經過電平轉換和調節，輸出標準的電平信號lvds/lvttl，作為光子計數和光子到達時間的測量之用。
上述方法中，所述單光子探測器溫控由tec制冷驅動電路單元實現，使其工作在-40℃的穩定環境。
與現有技術相比，本發明有以下有益效果：
本發明的高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法，采用主動自反饋淬火電路單元對雪崩觸發的單光子探測器進行淬火控制，該淬火電路及方法不僅能夠在極短的時間內準確探測微弱雪崩信號，同時可極快的淬滅雪崩并復位，大幅度的提高了單光子的探測效率，也在一定程度上降低了系統電路的冗雜度，降低了系統實現的成本。
附圖說明
圖1為本發明高速自反饋的單光子探測淬火控制電路的原理框圖。
圖中：單光子探測器100，偏置電壓單元200，門控脈沖單元300，主動自反饋淬火電路單元400，濾波放大器410，比較器420，淬火控制單元430，第一d觸發器431，第一延時芯片t1432，探測結果輸出單元440，偏置復位控制單元450，第二d觸發器451，第二延時芯片t2452，溫控電路500。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明進行清楚、完整地描述。
如圖1所示，一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路，包括單光子探測器100、偏置電壓單元200以及門控脈沖單元300，所述單光子探測器100采用雪崩二極管實現，單光子探測器100的陰極分別與偏置電壓單元200、門控脈沖單元300連接，且單光子探測器的陰極通過電阻rq連接偏置電壓單元200，電阻rq用于分壓，單光子探測器100的陽極通過電阻rs接地，所述控制電路還包括主動自反饋淬火電路單元400，所述主動自反饋淬火電路單元400連接在單光子探測器100的陽極，所述主動自反饋淬火電路單元400包括濾波放大器410、比較器420、淬火控制單元430以及探測結果輸出單元440，所述濾波放大器410的輸入端連接單光子探測器100的陽極，所述濾波放大器410的輸出端依次連接比較器420、淬火控制單元430以及探測結果輸出單元440，所述淬火控制單元430的一輸出端連接有可使單光子探測器100陽極端電壓升高致單光子探測器100雪崩熄滅的電壓控制器s_quench，所述電壓控制器s_quench采用nmos管，所述電壓控制器s_quench一端連接有用于平衡單光子探測器100偏置電壓的電源v_q，另一端連接單光子探測器100陽極。
所述淬火控制單元430包括第一d觸發器431以及第一延時芯片t1432，所述第一d觸發器431的s接口連接比較器420，所述第一d觸發器431的r接口通過第一延時芯片t1432連接電壓控制器s_quench，所述第一d觸發器431的q接口連接探測結果輸出單元440。
所述主動自反饋淬火電路單元400還包括偏置復位控制單元450，所述偏置復位控制單元450包括第二d觸發器451與第二延時芯片t2452，所述第二d觸發器451的s接口連接第一d觸發器431的/q接口，所述第二d觸發器451的r接口連接第二延時芯片t2452的一端，所述第二d觸發器451的q接口通過復位開關s_reset連接gnd，所述復位開關s_reset采用pmos管，所述復位開關s_reset的另一端連接光子探測器100的陽極。
所述控制電路還包括溫控電路500，所述溫控電路500為tec制冷驅動電路單元，所述tec制冷驅動電路單元連接單光子探測器100。
本發明涉及的電路單元如下：
(1)濾波放大器410：主要實現雪崩二極管雪崩初始信號的濾波和放大，抑制尖峰噪聲，提取有效雪崩信號，采用lfcn575+濾波器和ada4960-1放大器的兩級濾波放大；
(2)比較器：主要實現雪崩信號的有效快速甄別，采用高速比較器adcm572，閾值可調；
(3)淬火控制單元：主要實現雪崩二極管雪崩淬滅控制，通過探測比較器輸出信號，快速抑制雪崩并淬滅。采用高速d觸發器sy55852，延時線芯片ds1100，mc100ep系列的ecl高速電平轉換芯片，可實現4ns-20ns的可調淬滅電平控制；
(4)偏置復位控制單元：主要實現雪崩二極管偏置復位控制，通過接受淬滅結束信號的觸發，快速復位雪崩二極管偏置電壓，等待下一次探測。采用高速d觸發器sy55852，延時線芯片ds1100，mc100ep系列的ecl高速電平轉換芯片，可實現4ns-20ns的可調復位電平控制；
(5)電壓控制器s_quench與復位開關s_reset：主要實現淬滅電平和復位電平的快速導通和關斷。采用nmos管和pmos管，作為控制開關；
(6)探測結果輸出單元：主要實現輸出雪崩二極管探測的標準電平信號，作為光子計數和光子到達時間的測量之用。采用mc100ep系列的ecl高速電平轉換芯片，可輸出lvds和lvttl兩種不同的標準信號。
本發明還公開了一種高速自反饋的單光子探測淬火控制方法，包括以下步驟：
1)單光子探測器觸發：光子到達時單光子探測器，觸發雪崩，產生微弱的雪崩電流脈沖信號；
2)淬火控制：雪崩電流脈沖信號經濾波放大后，比較器探測到rs兩端的電壓降，并通過第一d觸發器輸出高電平信號使電壓控制器s_quench閉合，進而使單光子探測器陽極的端電壓升高到v_q，使單光子探測器兩端壓降降低，雪崩熄滅，完成主動淬火；
3)復位控制：第一d觸發器的/q接口輸出信號進入第二d觸發器，對第二d觸發器進行觸發，第二d觸發器輸出電平脈沖使復位開關s_reset閉合，進而使單光子探測器陽極的端電壓下降到gnd，導致單光子探測器兩端壓降恢復到雪崩前，實現偏置復位控制。
4)淬火、復位控制復位：雪崩熄滅，當單光子探測器陽極的端電壓恢復到gnd水平時，電壓控制器s_quench斷開，復位開關s_reset斷開，電路準備好進行下一次光子探測；
5)信號輸出：第一d觸發器輸出信號進入探測結果輸出單元，經過電平轉換和調節，輸出標準的電平信號lvds/lvttl，作為光子計數和光子到達時間的測量之用。
上述方法中，所述單光子探測器溫控由tec制冷驅動電路單元實現，使其工作在-40℃的穩定環境。
本發明單光子探測淬火控制方法的實施例如下：
雪崩二極管由一個直流高壓所偏置，直流高壓一般高于雪崩電壓；雪崩二極管溫控由tec制冷驅動電路單元實現，使其工作在-40℃的穩定環境；門控脈沖電路實現系統觸發信號與輸入光信號的同步，用于降低暗計數的影響。濾波放大器實現雪崩信號的降噪放大。第一d觸發器和延時芯片t1組成的電路完成雪崩二極管雪崩淬滅控制，第二d觸發器和延時芯片t2組成的電路完成雪崩二極管偏置復位控制。
雪崩二極管串聯一個電阻rq，這時雪崩二極管處于探測光子的準備階段。當有光子到達時，觸發雪崩，產生微弱的雪崩電流脈沖信號。經濾波放大后，反饋電路中的比較器迅速地探測到電阻rs兩端的電壓降，并通過第一d觸發器輸出高電平信號使電壓控制器s_quench閉合，進而使雪崩二極管陽極的端電壓升高到v_q，一般為10v左右，導致雪崩二極管兩端壓降降低，雪崩熄滅，從而實現了主動淬火。第一d觸發器輸出觸發脈沖由一個可調延時的電路進行復位控制，使其輸出電平脈寬為t1，以使工作電壓在一段時間內維持在熄滅水平,從而實現了雪崩主動淬火。
其后，第一d觸發器的負向輸出信號(/q)進入第二d觸發器，即雪崩淬滅后立即觸發第二d觸發器，輸出寬度為t2的電平脈沖使復位開關s_reset閉合，進而使雪崩二極管陽極的端電壓下降到gnd，導致雪崩二極管兩端壓降恢復到雪崩前，實現偏置復位控制，電路準備好下一次光子探測。雪崩熄滅，最后，當雪崩二極管陽極的端電壓恢復到gnd水平時，電壓控制器s_quench斷開，復位開關s_reset斷開，電路準備好進行下一次光子探測。
第一d觸發器輸出信號進入探測結果輸出單元，經過電平轉換和調節，輸出標準的電平信號(lvds/lvttl)，作為光子計數和光子到達時間的測量之用。
上述主動自反饋淬火電路單元中，t1為雪崩二極管雪崩淬滅控制時間，其值在4ns-20ns可調，步長為4ns；t2為apd偏置復位控制時間，其值在4ns-20ns可調，步長為4ns。t1電平的下降沿觸發t2電平，其延時僅為400ps。可知，完成一次光子信號探測的時間為t＝t1+t2+t0，t0為雪崩二極管探測響應時間和器件延時，一般總值小于2ns。因此，此方案下的單光子探測死時間可調至最小10ns，可實現100mcounts/s的高速計數。
綜合本發明的結構與原理可知，本發明的高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法，采用主動自反饋淬火電路單元對雪崩觸發的單光子探測器進行淬火控制，該淬火電路及方法不僅能夠在極短的時間內準確探測微弱雪崩信號，同時可極快的淬滅雪崩并復位，大幅度的提高了單光子的探測效率，也在一定程度上降低了系統電路的冗雜度，降低了系統實現的成本。