一种抗背散射超导单光子探测器的制作方法

本发明属于超导单光子探测技术领域，尤其涉及一种抗背散射超导单光子探测器。

背景技术：

单光子探测器是量子信息领域的关健技术，是实现对单量子态进行操控、处理和研究的基本技术手段。超导纳米线单光子检测器是一种利用超导纳米线条进行光子检测的高灵敏探测器。探测器通过激光器向远距离目标发射光子，探测器的感光部分为薄膜纳米线结构，工作时纳米线上的电流被偏置在稍低于临界电流的位置。当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被短时破坏，随后能自动恢复到超导状态。在电路上表现为快速上升、随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，我们就可以鉴别出单光子。

传统的超导单光子探测器在激光测距应用中测量地面目标时，在近距离内会面临背光致盲问题，即约30km以内的大气微粒会散射激光束，当过多散射的光粒子沿原路径返回被探测系统捕捉到后，会使得超导探测芯片一直处于失超状态，从而使探测器工作受阻，这种现象称为探测器背光致盲。当大气中的微粒过多、背散射很强时，背光致盲问题便出现了。背光致盲问题严重阻碍了超导单光子探测器在大气层内的激光雷达的应用，制约了探测器进一步发展。

现有的光学上提出解决背光致盲问题的方法是在探测器接收端使用高频率光开关，即一种电磁波衰减器。但是光开关存在的问题是，光开关关闭时对入射光的衰减最大只有10倍，仍会导致致盲问题；在光开关开启时，对入射光仍存在一定程度衰减，不符合探测器工作要求。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术存在的探测器背光致盲问题，本发明提供一种抗背散射超导单光子探测器。

技术方案：一种抗背散射超导单光子探测器，其特征在于，包括时钟信号生成模块、激光器、门控源表及纳米线芯片，所述门控源表包括数模转换芯片和负载电阻，数模转换芯片的输出端通过负载电阻连接纳米线芯片；所述时钟信号生成模块用于为激光器和数模转换芯片提供pwm波信号；所述激光器用于发射光子，所述纳米线芯片用于接收光子；所述门控源表用于控制纳米线芯片工作。

进一步的，所述时钟信号生成模块包括第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；数模转换芯片的控制端口包括第五引脚、第六引脚和第七引脚，第七引脚用于串行数据输入，第六引脚用于串行时钟输入，第五引脚用于输入数据帧同步信号；时钟信号生成模块的第一输出端口输出常高电平，连接数模转换芯片的第六引脚；时钟信号生成模块的第二输出端口输出常低电平，连接数模转换芯片的第五引脚；时钟信号生成模块的第三输出端口输出pwm波及串行数据，连接数模转换芯片的第七引脚；数模转换芯片的输出端口包括第三引脚和第四引脚，第四引脚连接所述负载电阻，第三引脚置空。

进一步的，所述pwm波为高电平时，时钟信号生成模块的第三输出端口同时向数模转换芯片的第七引脚输入串行数据；pwm波为低电平时，时钟信号生成模块的第三输出端口同时向数模转换芯片的第七引脚输入0。

进一步的，所述数模转换芯片采用串行数据输入的工作方式，所述串行数据为24位数据，其中前8位为控制信号，后16位决定输出电压的电平值，所述输出电压用于驱动所述纳米线芯片。

进一步的，所述pwm波信号的周期为1ms，令pwm波信号的占空比为t，80％＜t＜99％。

进一步的，所述时钟信号生成模块包括fpga。

进一步的，所述激光器的触发方式为外部时钟下降沿触发。

进一步的，所述纳米线芯片的工作方式为pwm波高电平时，芯片正常工作；pwm波低电平时，芯片停止工作。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种抗背散射超导单光子探测器，通过门控源表给纳米线芯片供电，通过pwm波信号触发激光器，同时通过pwm波信号控制纳米线的非工作时间，将光子发射和接收在时间上分开来，在光子发射和接收两步操作间留出一段闲置时间，屏蔽近距离内的反射光子，使得光子接收不会受近距离反射光子的影响，有效解决了超导纳米线单光子探测器背光致盲问题。通过调节pwm波的占空比，进一步调节纳米线芯片的非工作时间，以满足屏蔽不同距离内反射光子的需要。本发明避免了现有技术采用电磁波衰减器带来的处理不彻底仍导致致盲的问题；也不会对发射光子进行衰减，使发射光子依然满足探测器的工作要求。本发明可以将超导纳米线单光子探测器的应用扩展到浓雾等强背散射环境下激光测距和激光雷达应用，提高了探测器在大气层内使用的可靠性。

附图说明

图1为本发明抗背散射超导单光子探测器的结构框图；

图2为本发明的工作时序图；

图3为本发明中门控源表部分的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，抗背散射超导单光子探测器包括时钟信号生成模块、激光器、门控源表及纳米线芯片，所述门控源表包括数模转换芯片和负载电阻，本实施例中采用的数模转换芯片的型号为dac8552，当然也可以采用其他型号的数模转换芯片。数模转换芯片dac的输出端通过负载电阻连接纳米线芯片；所述时钟信号生成模块用于为激光器和数模转换芯片提供pwm波信号。所述激光器用于向被测物体1发射光子，发射光子的方向为a方向；所述纳米线芯片用于接收光子，接受光子的方向为b方向。

所述门控源表控制纳米线芯片的原理就是将光子发射和接收在时间上分开来，在光子发射和接收两步操作间留出可调的闲置时间，这样就可以有效屏蔽一定范围内的反射光子。不妨设闲置时间为t*，根据距离与时间、速度的关系：

s＝ct*(1)

式(1)中，s为光子从发射到接受来回的距离，c为光速。如果我们要屏蔽与探测器距离为d的所有反射光子，则：

由式(1)、式(2)可知，如果要屏蔽1.5～30km以内的反射光子，则闲置时间的计算见式(3)：

计算得到t*为10～200μs。也就是说，在发射光子和接收光子两步操作之间设置10～200μs闲置时间，就可以有效屏蔽1.5～30km以内的反射光子。

由闲置时间为10～200μs，可以进一步推算出pwm波信号的占空比t的选取范围为：80％＜t＜99％。

时钟信号生成模块在本实施例中采用主频为100mhz的fpga，基准时钟信号为10ns。由fpga生成pwm波，通过代码就可以设置pwm波的占空比。如图2所示，图中未画出整个fpga，只画出了fpga的输出接口部分p2(p3为可短路双排针)，fpga的输出端口与数模转换芯片dac的控制端口连接，具体的连接关系为：图中p2为6根排针；图中p3为8根排针(其中，1，2针短路；3，4针短路；5，6针短路；7，8针短路)。数模转换芯片dac的控制端口包括第七引脚din、第六引脚sclk和第五引脚sync，第七引脚din用于串行数据输入，第六引脚sclk用于串行时钟输入，第五引脚sync用于输入数据帧同步信号；fpga的输出端口包括第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口。fpga的第一输出端口连接图中p2的5脚(图中未示出)，输出常高电平，进而连接数模转换芯片的第六引脚sclk；fpga的第二输出端口连接图中p2的3脚(图中未示出)，输出常低电平，进而连接数模转换芯片的第五引脚sync；fpga的第三输出端口连接图中p2的4脚(图中未示出)，输出pwm波及24位串行数据，进而连接数模转换芯片的第七引脚din。数模转换芯片dac的输出端口包括第三引脚voutb和第四引脚vouta这两个输出端口供选择，这里我们选用第四引脚vouta连接所述负载电阻(图中未示出)，负载电阻取值为100kω，负载电阻串联在第四引脚vouta及纳米线芯片之间，输出电压通过负载电阻控制纳米线芯片工作，第三引脚voutb置空。图中ref6125产生2.5v的基准电压从5、6引脚引出，提供给数模转换芯片dac。

dac的三个控制端口包括第七引脚din、第六引脚sclk和第五引脚sync，这三个控制端口的作用分别是串行数据输入、串行时钟输入、输入数据帧同步信号。串行数据输入(从第七引脚din输入)的是24位数据，其中前8位为控制信号，后16位为数据，该16位数据就是控制数模输出电压的电平值。纳米线芯片的触发方式为高电平触发，高电平纳米线芯片工作，低电平纳米线芯片不工作。当第七引脚din输入的pwm波为高电平时，同时fpga将24位数据输入第七引脚din，dac正常工作，输出电压控制纳米线芯片工作；当第七引脚din输入的pwm波为低电平时，则dac输出为0，纳米线芯片不工作。

探测器发射光子的装置为脉冲式激光器，激光脉宽为皮秒至纳秒量级，可设置外触发工作模式，下降沿触发，即外部时钟下降沿到达时，激光器发出极窄的激光脉冲，工作周期可调。本实施例设置系统工作频率为1khz，即工作周期为1毫秒，采用外部时钟统一触发。时钟信号、激光器、门控源表工作时序图如图3所示，最上面的时序是1khz的时钟信号；中间一条是激光器，脉宽很窄，与闲置时间、工作周期相比脉宽可忽略不计；最下面一条是门控源表工作时序图。由fpga生成的pwm波信号的周期为1ms，可以通过代码设置pwm波的占空比。比如，设置占空比为90％，则pwm波高电平时间为900μs，低电平为100μs，我们把这种pwm波同时输入到激光器与数模转换器adc的第七端口din端口，当下降沿到达时，激光器瞬间发出脉冲，而在此后100μs内第七端口din端口为低电平，dac输出电压为0，纳米线芯片不工作。接下来的900μs内，pwm波为高电平，同时fpga输入24位数据，dac输出相应电压，纳米线芯片处于工作状态。(在这个过程中，dac的第六端口sclk一直处于高电平，第五端口sync一直处于低电平，由fpga控制，我们实际上只改变了dac的第七端口din这一个端口的输入状态)这就实现了纳米线芯片不工作的100μs闲置时间。

此外，为了满足屏蔽不同距离内反射光子的需求，闲置时间可以调节，调节的方法实际上就是控制fpga产生的pwm波信号的占空比。闲置时间即为低电平时间，而调节占空比的大小可以通过代码实现。通过调节占空比80％＜t＜99％即可设置10～200μs闲置时间，就可以有效屏蔽1.5～30km以内的反射光子。