(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110031094 A(43)申请公布日 2019.07.19
(21)申请号 201910334409.X(22)申请日 2019.04.24
(71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术
研究所
地址 200050 上海市长宁区长宁路865号 申请人 浙江赋同科技有限公司(72)发明人 张伟君 黄佳 尤立星 王勇
吕超林 张兴雨 徐光照 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所(普通
合伙) 31219
代理人 史治法(51)Int.Cl.
G01J 1/44(2006.01)G01J 11/00(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
CN 110031094 A(54)发明名称
提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法(57)摘要
本发明提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法,包括：若干个单光子探测器；若干个读出电路，各读出电路的输入端与各单光子探测器的输出端一一对应连接；若干个电平转换电路，各电平转换电路的输入端与各读出电路的输出端一一对应连接；合路器，合路器的输入端与各电平转换电路的输出端相连接。本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；可以在保证单光子探测器探测效率的同时，提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性。
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1.一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，其特征在于，包括：若干个单光子探测器；若干个读出电路，各所述读出电路的输入端与各所述单光子探测器的输出端一一对应连接；
若干个电平转换电路，各所述电平转换电路的输入端与各所述读出电路的输出端一一对应连接；所述电平转换电路用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；
合路器，所述合路器的输入端与各所述电平转换电路的输出端相连接。2.根据权利要求1所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，其特征在于，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上升沿与下降沿之间的宽度。
3.根据权利要求1所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，其特征在于，所述阈值电平包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半。
4.根据权利要求1所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，其特征在于，所述电平转换电路还用于设定所述阈值电平，所述电平转换电路包括：
滑动变阻器，所述滑动变阻器的一端与所述电平转换电路的输入端相连接；所述滑动变阻器用于设定所述阈值电平；
处理模块，所述处理模块与所述滑动变阻器相连接，用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，其特征在于：所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统还包括：
电衰减器，所述电衰减器的输入端与所述合路器的输出端相连接。6.一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，其特征在于，包括如下步骤：使用单光子探测器对光信号进行探测；
使用读出电路将所述单光子探测器探测的结果读出；
使用电平转换电路于所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；
使用合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出。7.根据权利要求6所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，其特征在于，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上升沿与下降沿之间的宽度。
8.根据权利要求6所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，其特征在于，所述阈值电平包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，其特征在于，使用合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出之后还包括如下步骤：
使用电衰减器将所述合路器合成输出的信号进行处理，以将所述合路器合成输出的信
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号的幅值降低至计数器的量程之内。
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提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于光探测技术领域，特别是涉及提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法。
背景技术
[0002]单光子探测器(single photon detector，SPD)作为能实现单个光子的极限灵敏度探测而备受重视，在光谱学、生物学、激光通信以及量子通信等领域具有广泛的应用价值。光子数分辨(Photon number resolution，PNR)能力是SPD的一个重要特征参数，对于光量子模拟、量子秘钥分发、生物荧光谱分析、少光子测距与成像以及量子随机数生成等领域具有潜在应用价值。
[0003]一个好的PNR探测器，应当能很好地将n个光子响应从(n-1)个光子与(n+1)光子响应中甄别出来，这就需要在多光子分辨时，探测器的脉冲峰与峰之间的间隔要大，峰的波动要小。PNR的信噪比(SNRPNR)定义为相邻输出波形峰与峰之间的差值(ΔH)与输出波形幅值抖动的高斯峰半高宽值(Vn)的比值，用ΔH/Vn来表示，前者主要取决于放大器增益大小，后者则受限于噪声。波形信噪比越高，PNR统计数据越准确，即有利于提高探测器的PNR能力。[0004]而现有的大多数光子数可分辨SPD，由于噪声的影响，随着响应光子数的增多，波形之间的区分度变得模糊，各个峰与峰之间有重叠，未完全分立开来，成为获得高PNR探测动态范围的主要限制因素；与此同时，现有的通过合并空间多像素SPD的输出信号而实现PNR的方法，普遍存在信噪比较低的问题。发明内容
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法，用于解决现有技术中的单光子探测器存在的波形之间区分度变得模糊，各个峰与峰之间有重叠，未完全分立开来而导致的无法获得高多光子探测动态范围的问题，以及现有技术中的单光子探测器存在的信噪比较低的问题。[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统包括：[0007]若干个单光子探测器；[0008]若干个读出电路，各所述读出电路的输入端与各所述单光子探测器的输出端一一对应连接；
[0009]若干个电平转换电路，各所述电平转换电路的输入端与各所述读出电路的输出端一一对应连接；所述电平转换电路用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；[0010]合路器，所述合路器的输入端与各所述电平转换电路的输出端相连接。[0011]可选地，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上
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升沿与下降沿之间的宽度。[0012]可选地，所述阈值电平包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半。[0013]可选地，所述电平转换电路还用于设定所述阈值电平，所述电平转换电路包括：[0014]滑动变阻器，所述滑动变阻器的一端与所述电平转换电路的输入端相连接；所述滑动变阻器用于设定所述阈值电平；[0015]处理模块，所述处理模块与所述滑动变阻器相连接，用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号。[0016]可选地，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统还包括：[0017]电衰减器，所述电衰减器的输入端与所述合路器的输出端相连接。[0018]本发明还提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法包括如下步骤：[0019]使用单光子探测器对光信号进行探测；
[0020]使用读出电路将所述单光子探测器探测的结果读出；
[0021]使用电平转换电路于所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；
[0022]使用合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出。[0023]可选地，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上升沿与下降沿之间的宽度。[0024]可选地，所述阈值电平包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半。[0025]可选地，使用合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出之后还包括如下步骤：
[0026]使用电衰减器将所述合路器合成输出的信号进行处理，以将所述合路器合成输出的信号的幅值降低至计数器的量程之内。[0027]如上所述，本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法具有以下有益效果：
[0028]本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统通过在单光子探测器与合路器之间增设电平转换电路，可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；同时，通过在单光子探测器与合路器之间增设电平转换电路可以在保证单光子探测器探测效率的同时提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性；
[0029]本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；同时，通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以在保证探测效率的同时提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性。附图说明
[0030]图1及图2显示为本发明不同示例中提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能
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力的系统的结构框图。
[0031]图3显示为平均入射光子数μ＝10时本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及现有的单光子探测器系统的信噪比随响应光子数变化的对比图；其中，三角形的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统的信噪比随响应光子数变化的曲线，菱形的点构成的曲线为现有的单光子探测器系统的信噪比随响应光子数变化的曲线。
[0032]图4显示为本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统在不同平均入射光子数时的信噪比随响应光子数变化的对比图；其中，矩形的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统在平均入射光子数μ＝1时的信噪比随响应光子数变化的曲线，菱形的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统在平均入射光子数μ＝4时的信噪比随响应光子数变化的曲线，三角形的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统在平均入射光子数μ＝10时的信噪比随响应光子数变化的曲线，圆形的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统在平均入射光子数μ＝20时的信噪比随响应光子数变化的曲线，星型的点构成的曲线为本发明提供的单光子探测器的光子数分辨能力的系统在平均入射光子数μ＝40时的信噪比随响应光子数变化的曲线。
[0033]图5显示为本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及现有的单光子探测器系统的探测效率曲线图。
[0034]图6显示为本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法的流程图。
[0035]元件标号说明[0036]1 单光子探测器[0037]2 电平转换电路[0038]3 合路器[0039]4 电衰减器具体实施方式
[0040]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。[0041]请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。[0042]请参阅图1，本发明提供一种提供单光子探测器的光子数分辨率能力的系统，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统包括：若干个单光子探测器1；若干个读出电路(未示出)，各所述读出电路的输入端与各所述单光子探测器1的输出端一一对应连接；若干个电平转换电路2，各所述电平转换电路(Level Conversion Circuit，LCC)2的输入端与
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各所述读出电路的输出端一一对应连接；所述电平转换电路2用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；合路器3，所述合路器3的输入端与各所述电平转换电路2的输出端相连接。[0043]作为示例，所述单光子探测器1可以包括现有的任一一种单光子探测器，譬如，硅雪崩光电二极管(APD)单光子探测器及超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等等。[0044]作为示例，设定所述读出电路的输出信号的幅值为Vmax，所述阈值电平记为Vtr，则所述阈值电平Vtr的取值范围可以为0＜Vtr＜Vmax；优选地，本实施例中，所述阈值电平Vtr可以包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半，将所述阈值电平Vtr选择为所述读出电路的输出信号的幅值的一半，可以确保波形稳定、无底噪及幅值抖动的影响。当然，在其他示例中，也可以选择所述读出电路的输出信号抖动最小处的电平值作为所述阈值电平Vtr。具体的，当所述读出电路的输出信号的电平大于所述阈值电平Vtr时，所述电平转换电路2有方波信号输出，当所述读出电路的输出信号的电平小于所述阈值电平Vtr时，所述电平转换电路2没有方波信号输出，所述电平转换电路2输出的方波信号基本没有抖动。[0045]作为示例，所述方波信号的幅值为一固定值，所述方波信号的幅值可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。[0046]作为示例，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上升沿与下降沿之间的宽度；所述方波信号的脉宽明显小于所述读出电路的输出信号的脉宽。
[0047]作为示例，用于将所述单光子探测器1的探测结果读出的所述读出电路的具体结构为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。[0048]作为示例，所述电平转换电路2具有幅值放大功能，即，可以使得输出的所述方波信号的幅值大于输入至所述电平转换电路2的信号的幅值，即可以使得输出的所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值。[0049]作为示例，所述电平转换电路2还用于设定所述阈值电平，所述电平转换电路2可以包括：滑动变阻器(未示出)，所述滑动变阻器的一端与所述电平转换电路2的输入端相连接；所述滑动变阻器用于设定所述阈值电平Vtr；处理模块(未示出)，所述处理模块与所述滑动变阻器相连接，所述处理模块用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号。具体的，所述电平转换电路2可以为现有的商用电平转换电路，所述电平转换电路2的具体结构为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。[0050]作为示例，所述合路器3用于各所述电平转换电路2输出的多路方波信号合成输出。所述合路器3的具体结构为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。[0051]作为示例，由于所述电平转换电路2输出的所述方波信号的幅值较大，所述合路器3的输出信号的幅值可能会超出计数器的量程；此时，所述提供单光子探测器的光子数分辨率能力的系统还可以包括电衰减器4，如图2所示，所述电衰减器4的输入端与所述合路器3的输出端相连接，所述电衰减器4用于降低所述合路器3的输出信号的幅值。所述电衰减器4可以包括29dB(分贝)的电衰减器，当然，在其他示例中，所述电衰减器4也可以为现有任意一种电衰减器。所述电衰减器4的具体结构为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。[0052]图3为平均入射光子数μ＝10时本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率
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能力的系统及现有的单光子探测器系统的信噪比(SNRPNR随响应光子数变化的对比图；由图3可知，在相同的条件下，现有的单光子探测器系统的SNRPNR仅为2左右，而本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统的SNRPNR可以达到8左右，相较于现有的单光子探测器系统的信噪比有了显著提升(若不加入电衰减器，提高作用将更显著)。
[0053]图4为本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统在不同平均入射光子数时的信噪比随响应光子数变化的对比图；在不同的平均入射光子数的条件下，本发明提供的单光子探测器的光子数分辨率能力的系统的信噪比均可以达到约大于等于8，均具有较高的信噪比。
[0054]图5为本发明提供的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及现有的单光子探测器系统的探测效率曲线图，由图5可知，本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统的探测效率与现有的单光子探测器系统的探测效率基本一致。[0055]此外，由本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统的余辉图可知，本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统的输出信号中各个波形的峰之间均完全区分开来，且各个波形的峰的脉宽均较窄，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围。
[0056]综上可知，本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统通过在所述单光子探测器1与合路器3之间增设所述电平转换电路2，可以将响应光子数较多时将所述读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高单光子探测器探测动态范围；同时，通过在所述单光子探测器1与所述合路器3之间增设所述电平转换电路2可以在保证所述单光子探测器1的探测效率的同时提高所述单光子探测器1的信噪比，从而提高所述单光子探测器1统计数据的准确性。[0057]请参阅图6，本发明还提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法包括如下步骤：[0058]1)使用单光子探测器对光信号进行探测；
[0059]2)使用读出电路将所述单光子探测器探测的结果读出；
[0060]3)使用电平转换电路于所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；
[0061]4)使用合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出。[0062]作为示例，所述提高单光子探测器的光子数分辨能力的方法可以基于上述提高单光子探测器的光子数分辨能力的系统执行。[0063]作为示例，所述方波信号的脉宽为所述读出电路的输出信号在所述阈值电平处的上升沿与下降沿之间的宽度；所述方波信号的脉宽明显小于所述读出电路的输出信号的脉宽。
[0064]作为示例，所述阈值电平可以包括所述读出电路的输出信号的幅值的一半。将所述阈值电平选择为所述读出电路的输出信号的幅值的一半，可以确保波形稳定、无底噪及幅值抖动的影响。当然，在其他示例中，也可以选择所述读出电路的输出信号抖动最小处的电平值作为所述阈值电平。具体的，当所述读出电路的输出信号的电平大于所述阈值电平时，所述电平转换电路有方波信号输出，当所述读出电路的输出信号的电平小于所述阈值
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电平时，所述电平转换电路没有方波信号输出，所述电平转换电路输出的方波信号基本没有抖动。
[0065]作为示例，所述方波信号的幅值为一固定值，所述方波信号的幅值可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。[0066]作为示例，由于所述电平转换电路输出的所述方波信号的幅值较大，所述合路器的输出信号的幅值可能会超出计数器的量程；此时，使用所述合路器将所述电平转换电路输出的所述方波信号进行合成以输出之后还包括如下步骤：
[0067]使用电衰减器将所述合路器合成输出的信号进行处理，以将所述合路器合成输出的信号的幅值降低至计数器的量程之内。
[0068]本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；同时，通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以在保证探测效率的同时提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性。[0069]综上所述，本发明提供一种提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统及方法，所述提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统包括：若干个单光子探测器；若干个读出电路，各所述读出电路的输入端与各所述单光子探测器的输出端一一对应连接；若干个电平转换电路，各所述电平转换电路的输入端与各所述读出电路的输出端一一对应连接；所述电平转换电路用于在所述读出电路的输出信号的电平大于阈值电平时将所述读出电路的输出信号转换为方波信号，所述方波信号的幅值大于所述读出电路的输出信号的幅值；合路器，所述合路器的输入端与各所述电平转换电路的输出端相连接。本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的系统通过在单光子探测器与合路器之间增设电平转换电路，可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；同时，通过在单光子探测器与合路器之间增设电平转换电路可以在保证单光子探测器探测效率的同时提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性；本发明的提高单光子探测器的光子数分辨率能力的方法通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以将响应光子数较多时将读出电路的输出信号中波峰与波峰之间区分开，从而可以获得高光子数分辨探测动态范围；同时，通过在使用电平转换电路对读出电路的输出信号进行处理，可以在保证探测效率的同时提高单光子探测器的信噪比，从而提高单光子探测器统计数据的准确性。[0070]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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