[go: up one dir, main page]

WO2021118411A1 - Single-proton detector - Google Patents

Single-proton detector Download PDF

Info

Publication number
WO2021118411A1
WO2021118411A1 PCT/RU2020/050315 RU2020050315W WO2021118411A1 WO 2021118411 A1 WO2021118411 A1 WO 2021118411A1 RU 2020050315 W RU2020050315 W RU 2020050315W WO 2021118411 A1 WO2021118411 A1 WO 2021118411A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
avalanche photodiode
board
photodiode
detector
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2020/050315
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Заводиленко
Антон Вадимович ЛОСЕВ
Владимир Леонидович КУРОЧКИН
Юрий Владимирович КУРОЧКИН
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qrate LLC
Original Assignee
Qrate LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qrate LLC filed Critical Qrate LLC
Publication of WO2021118411A1 publication Critical patent/WO2021118411A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains

Definitions

  • the present technical solution relates to the field of measurement technology, in particular, to the design of a single photon detector (DOP) used in the field of quantum cryptography.
  • DOP single photon detector
  • DOF series ID210 is designed to work in near infrared light in gated phoion mode s at stems / produets / id210 / 1.
  • the DOP model ID210-SMF-C at 100 MHz sampling rate has a dark count of 6 Hz at 10% detection efficiency and 30 Hz at 25%.
  • DOPs from Princeton Lightwave PGA-600 are also known, which have a dark counting frequency of 100 Hz with 20% detection efficiency. At the same time, this value corresponds to a 20 MHz sampling frequency, which does not allow using the PGA-600 for operation at high frequencies.
  • the claimed DOP is developed on the basis of a semiconductor device, namely an avalanche photodiode, which allows the development and implementation of a new technology of quantum key distribution for conventional telecommunication fiber-optic networks, which also provides the compactness of the final device with the required efficiency of its operation.
  • the claimed device is intended for installation in a conventional rack or cabinet to accommodate standard telecommunications equipment.
  • a DOF based on an avalanche photodiode does not require service and does not require special qualifications from operators for its operation, which simplifies its operation and subsequent service.
  • the claimed solution provides a solution to the technical problem of creating a DOP with reduced weight and dimensions while ensuring efficient operation.
  • the technical result is to reduce the likelihood of noise triggering and increase the quantum efficiency.
  • the claimed design of the DOP contains a housing in which are installed: a signal board containing a strobe generator, an output pulse shaper, an avalanche photodiode bias voltage source and a dead time shaper; a controller board containing a temperature controller and a control system; a cooling loop containing a temperature sensor and a thermoelectric converter; a flexible board located inside the cooling circuit and containing the avalanche photodiode and at least one stage for amplifying the avalanche photodiode signals.
  • the avalanche photodiode is made of a compound selected from the group: InGaAs, InAlAs, or Si.
  • the photodiode comprises a substrate made of an InGaAs-InP indium phosphide compound.
  • the signal board further comprises at least one filter stage.
  • thermoelectric converter comprises at least one Peltier element.
  • FIG. 1 illustrates the functional diagram of the claimed DOP.
  • the declared DOF (10) contains a radiator housing (100), inside which a signal board (software), a controller board (120), a cooling circuit (130) and a flexible board (140) are installed.
  • the radiator housing (100) ensures the integrity of the structure, as well as the thermal mode of operation of the detector (10). It contains all the necessary signal input-output connectors, both optical and electrical.
  • An optical FC-FC connector is mounted directly on the housing cover (100).
  • the signal board (110) contains the main functionality, while it houses a strobe generator (111), an avalanche photodiode bias voltage source (112), an input for a flexible diode output board, amplifying stages for obtaining an avalanche response of a diode of an acceptable amplitude ( 143), an output pulse shaper (113), which forms a calibrated counting signal of the desired logic level and duration, and a dead time shaper (114).
  • the signal board can additionally contain at least one filtering stage (142), which reduces the influence of the parasitic harmonics of the strobe on the useful signal of the avalanche response.
  • the controller board (120) provides the possibility of external control and monitoring of such parameters of the DOP operation as: temperature, bias voltage, gating signal amplitude and parameters of the cooling system (stabilization temperature, PID controller coefficients, conditions for enabling emergency modes). For example, a 70 V bias voltage, a 6 V p-p gating signal amplitude, and an avalanche photodiode temperature of -45 degrees Celsius.
  • External control is provided using the USB interface when connected to an external computing device such as a computer.
  • the cooling circuit (130) is designed to provide the avalanche photodiode (141) with optimal operation in terms of the likelihood of noise triggers.
  • the cooling circuit (130) contains a temperature sensor (131) and a thermoelectric converter (132), made in the form of one or more Peltier elements.
  • the temperature sensor (131) can be made in the form of a platinum thermistor.
  • the cooling circuit (130) can be made of a foam box, in which a photodiode (141) is placed in a special copper holder, and a thermoelectric converter (132).
  • the contour (130) is fixed on the body-radiator (100) to provide heat removal from the thermoelectric converter (132).
  • the flexible board (140) is located inside the cooling circuit (130), contains an avalanche photodiode (141) installed on it and is designed to reduce the heat losses inevitable when the avalanche photodiode (141) communicates with the external environment through its contact with the signal board ( 110).
  • the avalanche photodiode (141) can be made on the basis of known technologies, for example, from such compounds as: InGaAs, InAlAs, or Si.
  • the photodiode (141) may contain a substrate made of an InGaAs-InP indium phosphide compound.
  • the flexible board (140) avoids direct contact of the legs of the photodiode (141) and the temperature sensor (131) with the external environment, which greatly improves the performance of the circuit (130) and avoids the formation of condensation on the legs of the photodiode (141) and increases the reliability measuring the temperature inside the cooling loop (130).
  • the flexible board (140) can contain one or several stages (143) for amplifying the signal of the photodiode (141), which makes it possible to reduce the influence of interference and time resolution, which has a positive effect on reducing the noise triggering of the DOP (10). Due to the installation of the amplifier stage on the flexible board (140) in the immediate vicinity of the diode (141), a good parameter of the temporal resolution of the detector is obtained.
  • the DOP elements (10) are installed in the housing (100) ensuring structural and functional unity and are connected by means of a different spectrum of standardized assembly operations, in particular, by soldering, welding, riveting, joining, and other type of structural fixation of elements suitable for use in the art.
  • DOP (10) operates as follows.
  • the bias voltage source (112) generates a constant bias voltage of the avalanche photodiode (141) to enable the formation of an avalanche photocurrent.
  • the strobe generator (111) generates a harmonic signal, synchronous with respect to the external synchronization signal, to ensure the sensitivity of the avalanche photodiode (141) only in the vicinity of the maximum of the strobe signal and insensitivity during the rest of the time. This is achieved by keeping the bias voltage, gate signal amplitude, and temperature of the avalanche photodiode (141) stable.
  • the temperature controller (122) maintains a constant temperature by controlling the voltage on the thermoelectric converter (132) and measuring the temperature of the photodiode (141) using the sensor (131).
  • An external signal in the form of a single photon of the required spectral range is fed to the input of the detector (10) via a fiber-optic communication line.
  • the photon is absorbed and causes the avalanche photocurrent to flow through the photodiode (141).
  • a voltage pulse is formed, which is amplified to the level of a few volts, filtered from the strobe signal using a filter (142) and goes to the output pulse shaper (113) and the dead time shaper
  • the output pulse shaper (113) provides the formation of a pulse with a duration of 85 ns and an amplitude of 3 V, at a load of 50 Ohms. This pulse is transmitted to external equipment for further processing, through the corresponding output of the detector (10).
  • the dead time generator (114) temporarily reduces the bias voltage of the photodetector by a predetermined time interval (for example, 3, 5, 6 ⁇ s, etc.), thereby eliminating any triggering of the avalanche photodiode (141) during the dead time.
  • This control mode excludes the formation of afterpulses. Afterpulses are noise alarms, the probability of which sharply increases for some time after the photodiode is triggered (141).
  • the declared DOP (10) is gated at a frequency of 312.5 MHz and is designed to register single photons in the near infrared range.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

The present technical solution relates to the field of measurement technology, in particular to a single-photon detector (SPD), used in the field of quantum cryptography. The technical result is to reduce the probability of noise pickup and to raise quantum efficiency. The claimed SPD construction comprises a housing in which are mounted: a signal board comprising a strobe oscillator, an output pulse generator, a bias voltage source of an avalanche photodiode and a dead-time generator; a controller board comprising a temperature regulator and a control system; a cooling circuit comprising a temperature sensor and a thermoelectric transducer; a flexible board arranged within the cooling circuit and comprising an avalanche photodiode and at least one signal amplification cascade of the avalanche photodiode.

Description

ДЕТЕКТОР ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ SINGLE PHOTON DETECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY

[0001] Настоящее техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ), применяемом в области квантовой криптографии. [0001] The present technical solution relates to the field of measurement technology, in particular, to the design of a single photon detector (DOP) used in the field of quantum cryptography.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ LEVEL OF TECHNOLOGY

[0002] Наиболее широкую известность в данной области техники имеют ДОФ производства фирмы ID Quantique. ДОФ серии ID210 предназначен для работы в ближнем инфракрасном свете в стробированном режиме phoion-

Figure imgf000003_0001
s у stems/produets/id210/1. Модель ДОФ ID210-SMF-C при частоте стробирования 100 МГц имеет темновой счет 6 Гц при 10% эффективности детектирования и 30 Гц при 25%. [0002] The most widely known in the art are DOPs from ID Quantique. DOF series ID210 is designed to work in near infrared light in gated phoion mode
Figure imgf000003_0001
s at stems / produets / id210 / 1. The DOP model ID210-SMF-C at 100 MHz sampling rate has a dark count of 6 Hz at 10% detection efficiency and 30 Hz at 25%.

[0003] Известны также ДОФ производства компании Princeton Lightwave PGA-600, которые имеют частоту темнового счета 100 Гц при 20% эффективности детектирования. При этом данная величина соответствует 20 МГ ц частоте стробирования, что не позволяет использовать PGA-600 для работы на больших частотах. [0003] DOPs from Princeton Lightwave PGA-600 are also known, which have a dark counting frequency of 100 Hz with 20% detection efficiency. At the same time, this value corresponds to a 20 MHz sampling frequency, which does not allow using the PGA-600 for operation at high frequencies.

[0004] Основным существенным недостатком известных решений является их массогабаритные размеры, а также эффективность их работы. Массогабаритные размеры известных ДОФ не позволяют применять их в стандартных стойках оборудования для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей. [0004] The main significant disadvantage of the known solutions is their weight and size, as well as their efficiency. The weight and overall dimensions of the well-known DOF do not allow their use in standard equipment racks for conventional telecommunication fiber-optic networks.

[0005] Сверхпроводниковые ДОФ, как правило, требуют специальной аппаратуры и ее регулярного обслуживания. В частности, требуют сервисного обслуживания турбомолекулярный и форвакуумный насосы, используемые для вакуумирования объема, в котором располагается рабочее тело сверхпроводника на основе NbN. По габаритам такая аппаратура превосходит размеры стандартной телекоммуникационной стойки или шкафа. Согласно имеющейся информации, как в России, так и за рубежом отсутствуют регулярно эксплуатируемые квантовые линии связи со сверхпроводниковыми детекторами, т.к. поддержание такой инфраструктуры сопряжено с существенными затратами. [0005] Superconducting DOPs, as a rule, require special equipment and its regular maintenance. In particular, the turbomolecular and foreline pumps used to evacuate the volume in which the working fluid of the NbN-based superconductor is located, require servicing. In terms of dimensions, such equipment exceeds the dimensions of a standard telecommunication rack or cabinet. According to the available information, there are no regularly operated quantum communication lines with superconducting detectors both in Russia and abroad. maintaining such an infrastructure is costly.

[0006] Согласно исследовательским испытаниям разработанный детектор при тех же условиях проведения испытаний имеет темновой счет 5 Гц при 10% эффективности и 30 Гц при 25% эффективности. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ [0006] According to research tests, the developed detector under the same test conditions has a dark count of 5 Hz at 10% efficiency and 30 Hz at 25% efficiency. DISCLOSURE OF THE INVENTION

[0007] Заявленный ДОФ разрабатывается на основе полупроводникового прибора, а именно, лавинного фотодиода, что позволяет разработать и внедрить новую технологию квантового распределения ключа для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей, которая также обеспечивает компактность конечного устройства с обеспечением требуемой эффективности его функционирования. Заявленное устройство предназначено для установки в обычную стойку или шкаф для размещения стандартного телекоммуникационного оборудования. При этом ДОФ на основе лавинного фотодиода не требует сервисного обслуживания и для своей работы не требует специальных квалификаций у операторов, что упрощает его эксплуатацию и последующее сервисное обслуживание. [0007] The claimed DOP is developed on the basis of a semiconductor device, namely an avalanche photodiode, which allows the development and implementation of a new technology of quantum key distribution for conventional telecommunication fiber-optic networks, which also provides the compactness of the final device with the required efficiency of its operation. The claimed device is intended for installation in a conventional rack or cabinet to accommodate standard telecommunications equipment. At the same time, a DOF based on an avalanche photodiode does not require service and does not require special qualifications from operators for its operation, which simplifies its operation and subsequent service.

[0008] Заявленное решение обеспечивает решение технической проблемы, заключающейся в создании ДОФ с уменьшенными массогабаритными размерами с обеспечением эффективной работы. [0008] The claimed solution provides a solution to the technical problem of creating a DOP with reduced weight and dimensions while ensuring efficient operation.

[0009] Техническим результатом является снижение вероятности шумового срабатывания и повышение квантовой эффективности. [0009] The technical result is to reduce the likelihood of noise triggering and increase the quantum efficiency.

[0010] Заявленная конструкция ДОФ содержит корпус, в котором установлены: сигнальная плата, содержащая генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени; плата контроллера, содержащая регулятор температуры и систему управления; охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; гибкая плата, расположенная внутри охлаждающего контура и содержащая лавинный фотодиод и по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода. [0010] The claimed design of the DOP contains a housing in which are installed: a signal board containing a strobe generator, an output pulse shaper, an avalanche photodiode bias voltage source and a dead time shaper; a controller board containing a temperature controller and a control system; a cooling loop containing a temperature sensor and a thermoelectric converter; a flexible board located inside the cooling circuit and containing the avalanche photodiode and at least one stage for amplifying the avalanche photodiode signals.

[ООП] В одном из примеров реализации устройства лавинный фотодиод выполнен из соединения, выбираемого из группы: InGaAs, InAlAs, или Si. [OOP] In one embodiment of the device, the avalanche photodiode is made of a compound selected from the group: InGaAs, InAlAs, or Si.

[0012] В другом примере реализации устройства фотодиод содержит подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP. [0012] In another embodiment of the device, the photodiode comprises a substrate made of an InGaAs-InP indium phosphide compound.

[0013] В другом примере реализации устройства сигнальная плата дополнительно содержит по меньшей мере один фильтрующий каскад. [0013] In another embodiment, the signal board further comprises at least one filter stage.

[0014] В другом примере реализации устройства термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере один элемент Пельтье. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ [0014] In another embodiment of the device, the thermoelectric converter comprises at least one Peltier element. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0015] Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного ДОФ. [0015] FIG. 1 illustrates the functional diagram of the claimed DOP.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ CARRYING OUT THE INVENTION

[0016] Как представлено на Фиг. 1 заявленный ДОФ (10) содержит корпус-радиатор (100), внутри которого установлены сигнальная плата (ПО), плата контроллера (120), охлаждающий контур (130) и гибкая плата (140). Корпус-радиатор (100) обеспечивает целостность конструкции, а также тепловой режим работы детектора (10). На нём расположены все необходимые разъёмы ввода-вывода сигналов, как оптических, так и электрических. В качестве разъемов могут использоваться: разъём питания, разъёмы для подключения вентиляторов, также в корпусе (100) сделаны отверстия под вывод этих разъёмов для обеспечения внешнего подключения. Непосредственно на крышке корпуса (100) вмонтирован оптический разъём FC-FC. [0016] As shown in FIG. 1, the declared DOF (10) contains a radiator housing (100), inside which a signal board (software), a controller board (120), a cooling circuit (130) and a flexible board (140) are installed. The radiator housing (100) ensures the integrity of the structure, as well as the thermal mode of operation of the detector (10). It contains all the necessary signal input-output connectors, both optical and electrical. The following can be used as connectors: a power connector, connectors for connecting fans, holes for the output of these connectors are also made in the case (100) to provide external connection. An optical FC-FC connector is mounted directly on the housing cover (100).

[0017] В сигнальную плату (110) заложен основной функционал, при этом на ней располагаются генератор строба (111), источник напряжения смещения лавинного фотодиода (112), вход для гибкой платы вывода диода, усилительные каскады для получения лавинного отклика диода приемлемой амплитуды (143), формирователь выходного импульса (113), формирующий калиброванный счётный сигнал нужного логического уровня и длительности, и формирователь мёртвого времени (114). Сигнальная плата дополнительно может содержать по меньшей мере один фильтрующий каскад (142), обеспечивающий уменьшения влияния паразитных гармоник строба на полезный сигнал лавинного отклика. [0017] The signal board (110) contains the main functionality, while it houses a strobe generator (111), an avalanche photodiode bias voltage source (112), an input for a flexible diode output board, amplifying stages for obtaining an avalanche response of a diode of an acceptable amplitude ( 143), an output pulse shaper (113), which forms a calibrated counting signal of the desired logic level and duration, and a dead time shaper (114). The signal board can additionally contain at least one filtering stage (142), which reduces the influence of the parasitic harmonics of the strobe on the useful signal of the avalanche response.

[0018] Плата контроллера (120) обеспечивает возможность внешнего управления и контроль таких параметров работы ДОФ, как: температура, напряжение смещения, амплитуда сигнала стробирования и параметры работы системы охлаждения (температура стабилизации, коэффициенты PID-регулятора, условия включения аварийных режимов). Например, напряжение смещения 70 В, амплитуда сигнала стробирования 6 В пик-пик, температура лавинного фотодиода -45 градусов Цельсия. Внешнее управление обеспечивается с помощью интерфейса USB при подключении к внешнему вычислительному устройству, например, компьютеру. [0018] The controller board (120) provides the possibility of external control and monitoring of such parameters of the DOP operation as: temperature, bias voltage, gating signal amplitude and parameters of the cooling system (stabilization temperature, PID controller coefficients, conditions for enabling emergency modes). For example, a 70 V bias voltage, a 6 V p-p gating signal amplitude, and an avalanche photodiode temperature of -45 degrees Celsius. External control is provided using the USB interface when connected to an external computing device such as a computer.

[0019] Охлаждающий контур (130) предназначен для обеспечения лавинному фотодиоду (141) оптимального режима работы с точки зрения вероятности шумовых срабатываний. Охлаждающий контур (130) содержит датчик температуры (131) и термоэлектрический преобразователь (132), выполненный в виде одного или нескольких элементов Пельтье. Датчик температуры (131) может выполняться в виде платинового терморезистора. [0019] The cooling circuit (130) is designed to provide the avalanche photodiode (141) with optimal operation in terms of the likelihood of noise triggers. The cooling circuit (130) contains a temperature sensor (131) and a thermoelectric converter (132), made in the form of one or more Peltier elements. The temperature sensor (131) can be made in the form of a platinum thermistor.

[0020] Охлаждающий контур (130) может выполняться из пенопластового короба, в который помещается фотодиод (141) в специальном медном держателе, и термоэлектрический преобразователь (132). Контур (130) зафиксирован на корпусе- радиаторе (100) для обеспечения отвода тепла от термоэлектрического преобразователя (132). [0020] The cooling circuit (130) can be made of a foam box, in which a photodiode (141) is placed in a special copper holder, and a thermoelectric converter (132). The contour (130) is fixed on the body-radiator (100) to provide heat removal from the thermoelectric converter (132).

[0021] Гибкая плата (140) расположена внутри охлаждающего контура (130), содержит установленный на ней лавинный фотодиод (141) и предназначена для уменьшения тепловых потерь, неизбежных при сообщении лавинного фотодиода (141) с внешней средой посредством его контакта с сигнальной платой (110). Лавинный фотодиод (141) может выполняться на основании известных технологий, например, из таких соединений, как: InGaAs, InAlAs, или Si. Также, фотодиод (141) может содержать подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP. [0021] The flexible board (140) is located inside the cooling circuit (130), contains an avalanche photodiode (141) installed on it and is designed to reduce the heat losses inevitable when the avalanche photodiode (141) communicates with the external environment through its contact with the signal board ( 110). The avalanche photodiode (141) can be made on the basis of known technologies, for example, from such compounds as: InGaAs, InAlAs, or Si. Also, the photodiode (141) may contain a substrate made of an InGaAs-InP indium phosphide compound.

[0022] Наличие гибкой платы (140) позволяет избежать непосредственного контакта ножек фотодиода (141) и датчика температуры (131) с внешней средой, что сильно улучшает производительность контура (130) и позволяет избежать образования конденсата на ножках фотодиода (141) и увеличивает достоверность измерения температуры внутри охлаждающего контура (130). При этом, гибка плата (140) может содержать один или несколько каскадов (143) усиления сигнала фотодиода (141), что позволяет сократить влияние помех и временное разрешение, что положительно влияет на снижение шумового срабатывания ДОФ (10). Вследствие установки усилительного каскада на гибкую плату (140) в непосредственной близости от диода (141) получается хороший параметр временного разрешения детектора. [0022] The presence of the flexible board (140) avoids direct contact of the legs of the photodiode (141) and the temperature sensor (131) with the external environment, which greatly improves the performance of the circuit (130) and avoids the formation of condensation on the legs of the photodiode (141) and increases the reliability measuring the temperature inside the cooling loop (130). In this case, the flexible board (140) can contain one or several stages (143) for amplifying the signal of the photodiode (141), which makes it possible to reduce the influence of interference and time resolution, which has a positive effect on reducing the noise triggering of the DOP (10). Due to the installation of the amplifier stage on the flexible board (140) in the immediate vicinity of the diode (141), a good parameter of the temporal resolution of the detector is obtained.

[0023] Элементы ДОФ (10) установлены в корпусе (100) с обеспечением конструктивно-функционального единства и соединяются посредством различного спектра стандартизованных сборочных операций, в частности, с помощью спайки, сварки, склепки, сочленения, и иного вида конструктивной фиксации элементов, пригодными для использования в данной области техники. [0023] The DOP elements (10) are installed in the housing (100) ensuring structural and functional unity and are connected by means of a different spectrum of standardized assembly operations, in particular, by soldering, welding, riveting, joining, and other type of structural fixation of elements suitable for use in the art.

[0024] ДОФ (10) работает следующим образом. Источник напряжения смещения (112) формирует постоянное напряжение смещения лавинного фотодиода (141) для обеспечения возможности формирования лавинного фототока. Генератор стробов (111) формирует гармонический сигнал, синхронный по отношению к сигналу внешней синхронизации, для обеспечения чувствительности лавинного фотодиода (141) только в окрестностях максимума сигнала стробирования и нечувствительности в течении остального времени. Это достигается поддержанием напряжения смещения, амплитуды сигнала стробирования и температуры лавинного фотодиода (141) стабильными. [0024] DOP (10) operates as follows. The bias voltage source (112) generates a constant bias voltage of the avalanche photodiode (141) to enable the formation of an avalanche photocurrent. The strobe generator (111) generates a harmonic signal, synchronous with respect to the external synchronization signal, to ensure the sensitivity of the avalanche photodiode (141) only in the vicinity of the maximum of the strobe signal and insensitivity during the rest of the time. This is achieved by keeping the bias voltage, gate signal amplitude, and temperature of the avalanche photodiode (141) stable.

[0025] Регулятор температуры (122) обеспечивает поддержание постоянной температуры за счет управления напряжением на термоэлектрическом преобразователе (132) и измерением температуры фотодиода (141) с помощью датчика (131). [0025] The temperature controller (122) maintains a constant temperature by controlling the voltage on the thermoelectric converter (132) and measuring the temperature of the photodiode (141) using the sensor (131).

[0026] Внешний сигнал в виде одиночного фотона требуемого спектрального диапазона поступает на вход детектора (10) по оптоволоконной линии связи. Попадая в активную зону лавинного фотодиода (141), фотон поглощается и вызывает протекание лавинного фототока через фотодиод (141). В следствии протекания фототока на нагрузочном резисторе формируется импульс напряжения который усиливается до уровня единиц вольт, отфильтровывается от сигнала стробирования с помощью фильтра (142) и попадает на формирователь выходного импульса (113) и формирователь мертвого времени[0026] An external signal in the form of a single photon of the required spectral range is fed to the input of the detector (10) via a fiber-optic communication line. Getting into the active zone of the avalanche photodiode (141), the photon is absorbed and causes the avalanche photocurrent to flow through the photodiode (141). As a consequence of the flow of the photocurrent across the load resistor, a voltage pulse is formed, which is amplified to the level of a few volts, filtered from the strobe signal using a filter (142) and goes to the output pulse shaper (113) and the dead time shaper

(114). (114).

[0027] Формирователь выходного импульса (113) обеспечивает формирование импульса длительностью 85 нс и амплитудой 3 В, на нагрузке 50 Ом. Этот импульс передается во внешнюю аппаратуру для дальнейшей обработки, через соответствующий вывод детектор (10). Формирователь мертвого времени (114) выполняет временное уменьшение напряжение смещения фотодетектора на заданный временной интервал (например, 3, 5, 6 мкс и т.п.), тем самым исключая любые срабатывания лавинного фотодиода (141) в течении мертвого времени. Такой режим управления исключает формирование послеимпульсов. Послеимпульсы являются шумовыми срабатываниями, вероятность которых резко увеличивается в течении некоторого времени после срабатывания фотодиода (141). Заявленный ДОФ (10) выполняется стробируемым с частотой 312,5 МГц и предназначен для регистрации одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона. [0027] The output pulse shaper (113) provides the formation of a pulse with a duration of 85 ns and an amplitude of 3 V, at a load of 50 Ohms. This pulse is transmitted to external equipment for further processing, through the corresponding output of the detector (10). The dead time generator (114) temporarily reduces the bias voltage of the photodetector by a predetermined time interval (for example, 3, 5, 6 μs, etc.), thereby eliminating any triggering of the avalanche photodiode (141) during the dead time. This control mode excludes the formation of afterpulses. Afterpulses are noise alarms, the probability of which sharply increases for some time after the photodiode is triggered (141). The declared DOP (10) is gated at a frequency of 312.5 MHz and is designed to register single photons in the near infrared range.

[0028] Основные технические характеристики заявленного ДОФ (10) представлены в Таблице 1. [0028] The main technical characteristics of the claimed DOP (10) are presented in Table 1.

Таблица 1. Технические характеристики

Figure imgf000007_0001
Table 1. Specifications
Figure imgf000007_0001

Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001

Claims

ФОРМУЛА FORMULA 1. Детектор одиночных фотонов, содержащий корпус, в котором установлены: сигнальная плата, содержащая генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени; плата контроллера, содержащая регулятор температуры и систему управления; охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; гибкая плата, расположенная внутри охлаждающего контура и содержащая лавинный фотодиод и по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода. 1. A detector of single photons, containing a housing in which are installed: a signal board containing a strobe generator, an output pulse shaper, an avalanche photodiode bias voltage source and a dead time shaper; a controller board containing a temperature controller and a control system; a cooling loop containing a temperature sensor and a thermoelectric converter; a flexible board located inside the cooling circuit and containing the avalanche photodiode and at least one stage for amplifying the avalanche photodiode signals. 2. Детектор по п.1, характеризующийся тем, что лавинный фотодиод выполнен из соединения, выбираемого из группы: InGaAs, InAlAs, или Si. 2. The detector according to claim 1, characterized in that the avalanche photodiode is made of a compound selected from the group: InGaAs, InAlAs, or Si. 3. Детектор по п.2, характеризующийся тем, что фотодиод содержит подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP. 3. The detector according to claim 2, characterized in that the photodiode comprises a substrate made of an InGaAs-InP indium phosphide compound. 4. Детектор по п.1, характеризующийся тем, что сигнальная плата дополнительно содержит по меньшей мере один фильтрующий каскад. 4. The detector of claim 1, wherein the signal board further comprises at least one filter stage. 5. Детектор по и.1, характеризующийся тем, что термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере один элемент Пельтье. 5. The detector according to i. 1, characterized in that the thermoelectric converter contains at least one Peltier element.
PCT/RU2020/050315 2019-12-11 2020-11-06 Single-proton detector Ceased WO2021118411A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140901 2019-12-11
RU2019140901 2019-12-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021118411A1 true WO2021118411A1 (en) 2021-06-17

Family

ID=76330587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050315 Ceased WO2021118411A1 (en) 2019-12-11 2020-11-06 Single-proton detector

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2021118411A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008121072A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Bo Cederwall System and method for photon detection
WO2014118537A2 (en) * 2013-01-31 2014-08-07 Malvern Instruments Limited Single photon counting
CN108955906A (en) * 2018-06-27 2018-12-07 南京邮电大学 A kind of when m- analog conversion circuit applied to single-photon detector
US20190137636A1 (en) * 2009-03-06 2019-05-09 Koninklijke Philips N.V. Advanced temperature compensation and control circuit for single photon counters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008121072A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Bo Cederwall System and method for photon detection
US20190137636A1 (en) * 2009-03-06 2019-05-09 Koninklijke Philips N.V. Advanced temperature compensation and control circuit for single photon counters
WO2014118537A2 (en) * 2013-01-31 2014-08-07 Malvern Instruments Limited Single photon counting
CN108955906A (en) * 2018-06-27 2018-12-07 南京邮电大学 A kind of when m- analog conversion circuit applied to single-photon detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3194985B1 (en) Triggered operation and/or recording of test and measurement or imaging tools
CN115452145B (en) A testing device for single photon detector
KR101677925B1 (en) Photovoltaic gneration system with function of photovoltaic array individual monitoring
CN203705085U (en) Distributed optical fiber temperature measurement device and system
CN109211403B (en) Method and device for detecting laser output power
CN210319437U (en) Water supply network management leakage detection system
CN113514786A (en) Integrated sensor based on solid-state spins in diamond
RU196655U1 (en) SINGLE PHOTON DETECTOR
US5142142A (en) Portable device for detecting short duration energy pulses
WO2021118411A1 (en) Single-proton detector
EP0080318B1 (en) Optical appparatus for interrogation of the status of a switch
CN207263637U (en) A kind of transformer oil state on_line monitoring system
CN211263675U (en) Partial discharge detection device
CN204680137U (en) A kind of remote correlation laser photoelectricity switch
CN119573914A (en) A distributed optical fiber temperature measurement system
CN210243814U (en) CPT atomic magnetometer with data remote transmission function
Sidhu et al. Protection of power system apparatus against arcing faults
CN112103276B (en) Avalanche photodetector with integrated filter amplifier chip and driving method thereof
CN112986663B (en) A detection structure and method for feedforward pump failure in L-band optical fiber amplifier
FR2685968A1 (en) PHYSIOLOGICAL SIGNAL TRANSMISSION DEVICE.
CN223485199U (en) Optical signal processing equipment integrating BOTDR and phi-OTDR functions
CN206096473U (en) Height integrates radiation monitoring system
RU2836381C1 (en) Single photon detector with protection against blinding attacks using analogue-to-digital converter
CN204960979U (en) Distributed optical fiber subway tunnel safety monitoring system
CN222283253U (en) Adaptive attenuation visible light communication component and communication equipment

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20899366

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20899366

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1