一种紧凑型光子计数器的制作方法

本发明涉及一种紧凑型光子计数器，适用于光子检测领域。

背景技术：

光子计数技术是光电子学众多技术领域中十分重要的一种。它利用光电探测器的输出信号为自然离散的特点，采用脉冲甄别和数字计数等方法将光信号识别并提取出来。光子计数技术的优点在于系统的灵敏度高、抗噪声能力强、稳定到几个光子/秒的微弱光信号，输出的是数字量，可直接与计算机连接与数据处理系统性高、可以测量，构成自动测试。

目前，光子计数技术主要用于微弱光信号的精确探测中，理想情况下，能检测的光子速率最大值为10g个光子/秒。若想继续提高光子计数技术能探测的光子速率，其重点在于光电探测器的选取及制造工艺，脉冲鉴别技术和数字计数技术二者各自的电路设计。

微弱光信号检测技术在信息化时代占据着十分重要的地位，被广泛的应用在如大气测污、生物医学、量子通信系统、激光与物质的相互作用、化学中的发光现象、高能物理等学科领域中。微电子技术的不断发展，使微弱光信号探测仪器的体积变得更小，抗噪能力更强，应用场合也更加广泛。在单光子探测领域，我国目前的水平与国外之间还存在着较大的差距。光子计数技术被广泛的应用在一些基础科学和前沿学科的研究中，如非破坏性物质分析、物理和化学中的发光现象、生物医学电子学中的共聚焦显微镜、天文学、激光测距、大气测污、量子密钥通信系统以及光电系统等。光子计数技术在量子信息科学的应用中一个重要的方向就是被应用在量子密钥通信系统中，该系统最突出的特点就是用一个光子携带一个比特的信息。而测量的灵敏度和数据传输的效率取决于光子计数器的量子效率，因此，量子效率的提高是光子计数技术发展中的关键问题。

技术实现要素：

本发明提供一种紧凑型光子计数器，可以明显提高光子计数器的计数频率，电路结构简单，体积较小，工作稳定，适应性好，提高了工作效率，具有较强的稳定性。

本发明所采用的技术方案是：

紧凑型光子计数器电路由放大模块电路、阈值电压设定电路、比较模块电路、控制信号电平转换电路组成。

所述放大模块电路中，选取的芯片为美国BB公司的OPA694，其特点是超带宽、低功耗、高转换频率、低微分增益/相位误差，且具有电流反馈作用。电阻R3和R4并联为50欧，作为PMT的负载电阻，将PMT输出的电流信号转换为电压信号。电阻R6和R8阻值较大，用于调节输出电压的偏置。放大器增益由电阻R5和R7的阻值决定，终端电阻R2会将放大器增益减半，因此该放大电路的增益为4.8倍。

所述阈值电压设定电路中，Q2为2.5 V电压基准源，则可以通过调节电位器，改变VR2，进而调节输出电压，即要设定的阈值电压。电路中，C1为滤波电容，R9为分压电阻，运算放大器U2为VR2和输出电压的改变起到缓冲作用，Q1连接成射极跟随模式，这样做是为了提高输出信号的抗干扰能力，同时保证比较器的反向输入端为一个低阻抗的电压信号。

所述比较模块电路选用的比较器芯片是Maxim公司的MAX9690，其特点在于具有很短的传输延迟，超高速，输出为ECL电平。R15和R23为限流电阻，C3、C4、C5和C6为滤波电容，R18和R12为下拉电阻，R20为MAX9690输出端必接的匹配电阻。通过R16的正反馈，使得比较器U:工作在施密特触发器模式。当比较器正向输入电压大于反向输入电压时，输出为ECL高电平;当比较器正向输入电压小于反向输入电压时，输出为ECL低电平。

所述控制信号电平转换电路的作用是将TTL电平的控制信号转换为ECL电平，并传送至MC10H131的D1端和S2端。两个端口的电平要分别控制，但实际电路一样。DZ1为3.3V稳压管，C7为滤波电容。ECL电平输出1接MC10H131的D1端，ECL电平输出2接MC10H131的S2端。开关断开时，ZD1不导通，三极管Q3基极电压为-5V，并传送至MC10H131。

本发明的有益效果是：可以明显提高光子计数器的计数频率，电路结构简单，体积较小，工作稳定，适应性好，提高了工作效率，具有较强的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的放大模块电路。

图2是本发明的阈值电压设定电路。

图3是本发明的比较模块电路。

图4是本发明的控制信号电平转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，放大模块电路中，选取的芯片为美国BB公司的OPA694，其特点是超带宽、低功耗、高转换频率、低微分增益/相位误差，且具有电流反馈作用。电阻R3和R4并联为50欧，作为PMT的负载电阻，将PMT输出的电流信号转换为电压信号。电阻R6和R8阻值较大，用于调节输出电压的偏置。放大器增益由电阻R5和R7的阻值决定，终端电阻R2会将放大器增益减半，因此该放大电路的增益为4.8倍。

如图2, 阈值电压设定电路中，Q2为2.5 V电压基准源，则可以通过调节电位器，改变VR2，进而调节输出电压，即要设定的阈值电压。电路中，C1为滤波电容，R9为分压电阻，运算放大器U2为VR2和输出电压的改变起到缓冲作用，Q1连接成射极跟随模式，这样做是为了提高输出信号的抗干扰能力，同时保证比较器的反向输入端为一个低阻抗的电压信号。

如图3，比较模块电路选用的比较器芯片是Maxim公司的MAX9690，其特点在于具有很短的传输延迟，超高速，输出为ECL电平。R15和R23为限流电阻，C3、C4、C5和C6为滤波电容，R18和R12为下拉电阻，R20为MAX9690输出端必接的匹配电阻。通过R16的正反馈，使得比较器U:工作在施密特触发器模式。当比较器正向输入电压大于反向输入电压时，输出为ECL高电平;当比较器正向输入电压小于反向输入电压时，输出为ECL低电平。

如图4，控制信号电平转换电路的作用是将TTL电平的控制信号转换为ECL电平，并传送至MC10H131的D1端和S2端。两个端口的电平要分别控制，但实际电路一样。DZ1为3.3V稳压管，C7为滤波电容。ECL电平输出1接MC10H131的D1端，ECL电平输出2接MC10H131的S2端。开关断开时，ZD1不导通，三极管Q3基极电压为-5V，并传送至MC10H131。