CN213069073U

CN213069073U - 一种雪崩二极管的测试装置

Info

Publication number: CN213069073U
Application number: CN202022038753.5U
Authority: CN
Inventors: 马睿; 蒋连军; 刘酩
Original assignee: Quantumctek Co Ltd
Current assignee: Quantumctek Co Ltd
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2030-09-16

Abstract

本实用新型公开了一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，包括信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路、以及用来安装被测APD的测试工装，信号处理电路的光脉冲触发信号输出端连接皮秒光脉冲产生模块的输入端，信号处理电路的门控信号输出端连接测试工装上安装的被测APD，皮秒光脉冲产生模块的输出端连接光衰减模块的输入端，光衰减模块的输出端连接测试工装上安装的被测APD。本实用新型的优点在于：此测试装置解决了测试设备太多的问题，仅用一块PCB板配合测试工装即可实现APD的独立性能测试。

Description

一种雪崩二极管的测试装置

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其是针对雪崩二极管(APD)的测试装置。

背景技术

单光子探测技术是量子保密通信领域中的核心技术之一。目前，量子保密通信领域中的单光子探测器主要基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管(APD)作为其探测元件。为了保证量子密钥分发过程中生成的密钥的安全性，对APD本身的探测效率、暗计数率、后脉冲概率等性能提出匹配要求，不同性能的探测器需要不同级别的APD。APD组件作为高速光电系统的关键器件，APD组件的指标参数，例如工作电压、探测效率、后脉冲、暗计数等性能参数均会影响探测器性能，因此对于APD的性能测试尤为重要，通过对APD的测试能够进一步区分APD的等级，实现不同性能的APD适用于不同的探测器设备。

现有技术中，申请号为201510272222.3的专利“一种单光子探测器的测试装置及测试方法”，提出的测试方法为:通过上位机软件实现测试中的参数下发和数值计算、统计；主控电路中输出光源触发驱动信号给窄脉冲光源，窄脉冲光源发光后再经过光衰减器产生单光子水平信号用于测试，同时主控电路中的门控触发信号驱动送给单光子探测器模块，延时调节在主控电路(测试工装)中实现，单光子探测器模块输出的计数送给主控电路进行数据处理后得到单光子探测器模块的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽等计数指标。该测试方法存在测试设备比较多的问题，且由于一次只能测试一支APD，测试效率较低。且此测试装置也仅限于非集成型APD的测试。

申请号为201920734226.2的专利“一种单光子探测器的测试装置”中公开了一种测试装置，包括测试电路，所述的测试电路包括控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块。测试方法为：该测试装置中的控制器接受人机交换设备指令输出驱动信号给窄脉冲调节电路驱动DFB激光器发光，经过VOA衰减电路以及后级光衰减器调节达到单光子水平；控制器通过输出比较器、时钟驱动器输出同步时钟信号给单光子探测器设备的主控模块进行倍频输出并在单光子探测器设备的主控模块中进行处理得到门控信号下发给单光子APD管，同时通过人机交换设备控制单光子探测器设备的主控模块启动参数标定流程，单光子探测器设备输出计数脉冲信号给测试电路并经1:2时钟驱动器输出两路时钟信号分别送给时间位置测量单元、控制器以完成计数统计，通过上述的方法能够完成单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的标定。此装置虽然减少了调试设备，但仅能用于已经安装好APD的单光子探测器设备的测试，属于模块级测试，而不是对探测器关键器件APD的独立性能测试，即此测试装置无法进行雪崩二极管入厂时的批量性能测试，若在APD入厂时不测试APD的性能(暗计数、后脉冲、探测效率等)，就无法对雪崩二极管进行等级分类，也不能实现不同性能的APD用于不同的探测器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于如何使用较少的测试设备完成APD的独立性能测试的问题。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种雪崩二极管的测试装置，包括信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路、以及用来安装被测APD的测试工装，信号处理电路的光脉冲触发信号输出端连接皮秒光脉冲产生模块的输入端，信号处理电路的门控信号输出端连接测试工装上安装的被测APD，皮秒光脉冲产生模块的输出端连接光衰减模块的输入端，光衰减模块的输出端连接所述被测APD，所述信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路集成在一块PCB板上。

此测试装置解决了测试设备太多的问题，仅用一块PCB板配合测试工装即可实现APD的独立性能测试。

作为优化的技术方案，所述信号处理电路包括FPGA、光脉冲触发信号电路、门控信号形成电路、符合门信号形成电路、雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路，FPGA分别连接光脉冲触发信号电路、门控信号形成电路、符合门信号形成电路、雪崩信号整形电路，光脉冲触发信号电路的输出端连接至皮秒光脉冲产生模块，门控信号形成电路的输出端连接被测APD，符合门信号形成电路通过雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路连接FPGA。

作为进一步优化的技术方案，所述信号处理电路还包括延时电路和时钟缓冲电路，FPGA依次经过延时电路、时钟缓冲电路后，分别连接门控信号形成电路和符合门信号形成电路。

作为优化的技术方案，所述皮秒光脉冲产生模块包括触发信号甄别电路、延时符合电路、激光器驱动电路、FPGA、偏流控制电路、激光器状态采集电路、激光器及TEC控制电路。FPGA分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路、TEC控制电路，触发信号甄别电路的输入端连接信号处理电路的输出端，触发信号甄别电路的输出端经过延时符合电路连接激光器驱动电路，激光器驱动电路连接激光器，激光器分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路和TEC控制电路，激光器的输出端连接光衰减模块。

作为优化的技术方案，光衰减模块包括MCU、DAC、VOA，MCU与DAC、VOA依次连接，VOA的输入端连接所述皮秒光脉冲产生模块的激光器输出端，VOA的输出端连接被测APD。

作为优化的技术方案，控制电路主要包括FPGA、制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，FPGA分别连接制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，偏流采集电路连接偏压控制电路，制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路连接被测APD。

作为进一步优化的技术方案，所述被测APD通过导电性胶体贴于测试板上。

作为进一步优化的技术方案，所述被测APD安装在测试工装上，所述测试工装设置在测试板上。

作为进一步优化的技术方案，所述被测APD安装在测试工装上，所述测试工装为外置工装，所述测试工装包括PCB支撑工装、封装连接器，所述PCB支撑工装固定在一基板上，测试板固定安装在PCB支撑工装上开设的若干凹槽内，封装连接器固定在测试板上，所述被测APD插在封装连接器上。

作为进一步优化的技术方案，所述信号处理电路、控制电路、光衰减模块与测试工装之间设置多通道切换装置，所述多通道切换装置一端连接信号处理电路、控制电路和光衰减模块的信号输入或者输出端口，另一端连接测试工装上安装的多个待测APD，上位机通过所述PCB板连接多通道切换装置。

本实用新型的优点在于：

1、此测试装置解决了测试设备太多的问题，仅用一块PCB板配合测试工装即可实现APD的独立性能测试；

2、符合门信号形成电路能够根据配置可以产生正反两路符合门，采用双符合门计数，无需伪随机数发生器，兼顾了测试准确性与APD批量测试需求；

3、本测试装置兼容集成制冷型APD测试和非集成制冷型APD测试，为今后两种APD的入厂测试提供便利；

4、此测试装置的测试工装可支持多个APD安装，配合上位机的使用能够完成批量测试，大大提高测试效率，并降低人工投入。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种雪崩二极管的测试装置的连接示意图；

图2为集成制冷型APD的测试工装结构示意图；

图3为非集成制冷型APD的测试工装结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1所示，本实用新型一种雪崩二极管的测试装置包括信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路、以及用来安装被测APD的测试工装。

信号处理电路的光脉冲触发信号输出端连接皮秒光脉冲产生模块的输入端，信号处理电路的门控信号输出端连接测试工装上安装的被测APD，皮秒光脉冲产生模块的输出端连接光衰减模块的输入端，光衰减模块的输出端连接测试工装上安装的被测APD。皮秒光脉冲产生模块接收信号处理电路输出的光脉冲触发信号，通过其中的激光器驱动电路形成窄脉冲并驱动激光器产生皮秒量级的光脉冲，光衰减模块将皮秒光脉冲产生模块输出的光脉冲衰减至单光子量级，单光子量级光脉冲信号输出至被测APD，信号处理电路产生的门控信号输出至被测APD。所述信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路可以集成在一块PCB板上。

所述信号处理电路包括FPGA、光脉冲触发信号电路、延时电路、时钟缓冲电路、门控信号形成电路、符合门信号形成电路、雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路，FPGA分别连接光脉冲触发信号电路、延时电路、雪崩信号整形电路，光脉冲触发信号电路的输出端连接至皮秒光脉冲产生模块，延时电路的输出端连接时钟缓冲电路的输入端，时钟缓冲电路的输出端分别连接门控信号形成电路和符合门信号形成电路，门控信号形成电路的输出端连接被测APD，符合门信号形成电路通过雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路连接FPGA。雪崩信号甄别及符合电路用于对高于甄别电压的雪崩二极管输出的信号进行甄别，再对甄别后的信号通过雪崩信号整形电路进行整形后输入至FPGA进行计数。具体的，所述的雪崩信号甄别及符合电路接收被测APD产生的雪崩信号，通过设置雪崩信号甄别阈值将雪崩信号与噪声信号分离，并通过雪崩信号整形电路将脉冲展宽、幅值放大，将其转换为符合FPGA计数标准的计数脉冲。所述的符合门信号形成电路调节符合门控信号的延时与宽度，使符合门控信号宽度大于雪崩信号甄别及符合电路接收到的脉冲信号宽度，并根据配置产生正反两路符合门，以分别测试不同延时位置时的符合计数。

所述皮秒光脉冲产生模块包括触发信号甄别电路、延时符合电路、激光器驱动电路、FPGA、偏流控制电路、激光器状态采集电路、激光器及TEC控制电路。FPGA分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路、TEC控制电路，触发信号甄别电路的输入端连接信号处理电路的输出端，触发信号甄别电路的输出端经过延时符合电路连接激光器驱动电路，激光器驱动电路连接激光器，激光器分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路和TEC控制电路，激光器的输出端连接光衰减模块。触发信号甄别电路用于甄别输入信号，对输入信号进行整形，整形后的信号通过延时符合电路输入激光器驱动电路，再经过激光器驱动电路输出至激光器以驱动激光器发光。偏流控制电路主要通过压控电流源控制激光器的偏置电流，调节激光器发光。TEC控制电路为激光器处的TEC(热电制冷器)提供TEC驱动电流。激光器状态采集电路实现对激光器温度、激光器光强、PCB板上温度、TEC驱动电流的采集。

光衰减模块包括MCU(中央处理器)、DAC(数模转换器)、VOA(可调光衰减器)，MCU与DAC、VOA依次连接，VOA的输入端连接所述皮秒光脉冲产生模块的激光器输出端，VOA的输出端连接被测APD。通过MCU控制DAC器件实现对VOA的控制，进而实现衰减的控制，另外MCU中储存了各VOA的标定系数，通过查表实现准确的衰减控制。

控制电路主要包括FPGA、制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，FPGA分别连接制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，偏流采集电路连接偏压控制电路，制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路连接被测APD。制冷驱动电路为被测APD提供TEC制冷驱动电流，此部分主要为集成制冷型APD提供制冷，非集成制冷型APD工装放置于温箱进行温度控制。温度采集电路用来采集被测APD的温度，并将采集的温度信号传送到FPGA，从而控制被测雪崩二极管的温度。集成制冷型APD内部包含温度采集电阻，能够采集APD的温度，非集成制冷型APD由于置于温箱中，温度控制由温箱控制，所以不需要温度采集，但是本装置硬件也支持温度采集。偏压控制电路用于产生被测APD雪崩时所需的偏压，所述偏压控制电路包括带有偏流采集功能的偏压产生芯片；偏流采集电路采集被测APD的实时偏流值，结合偏压控制电路和偏流采集电路可实现被测APD的I-V曲线测试。

需要说明的是，所述信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、控制电路中的FPGA可以是PCB板上的同一块FPGA芯片，也可以是根据需要而设置的多块FPGA芯片，本申请对此不作限制。

测试工装，不同的测试对象采用不同的测试工装，集成制冷型APD的测试工装在测试板上，非集成制冷型APD的测试工装为外置工装，由于此测试装置仅用于雪崩二极管的入厂检测，不能对引脚有所损坏，为了方便拆装并不损坏器件引脚，如图2所示，集成制冷型APD10设置在测试板20开设的安装孔中，采用现有的测试工装固定集成制冷型APD10，或者也可以采用导电性胶体将集成制冷型APD10贴于测试板20进行测试。如图3所示，为非集成制冷型APD40的测试工装结构，通过外置测试工装将非集成制冷型APD40固定于测试板31上，该测试工装包括PCB支撑工装30、封装连接器32，所述PCB支撑工装30固定在一基板上，测试板31固定安装在PCB支撑工装30上开设的若干凹槽内，封装连接器32固定在测试板31上，非集成制冷型APD40插在封装连接器32上，且无需焊接或者可对测试板31进行优化，将非集成制冷型APD40直接穿过测试板31，通过导电胶将非集成制冷型APD40与测试板31连接，无需焊接。测试完毕后可将被测非集成制冷型APD40取下。该两种测试工装均支持多通道同时测试。当然，上述两种测试工装只是举例说明，也可以采用现有可以固定APD的任何工装来固定待测APD。

当该测试装置具有多通道测试的功能时，还需要在信号处理电路、控制电路、光衰减模块与测试工装之间设置多通道切换装置，所述多通道切换装置一端连接信号处理电路、控制电路和光衰减模块的信号输入或者输出端口，另一端连接测试工装上安装的多个待测APD，上位机通过PCB板上的FPGA控制多通道切换装置，使得信号处理电路、控制电路、光衰减模块与其中一个或者多个待测APD相连，通过上位机的设置，能够完成批量测试，大大提高测试效率，并降低人工投入。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，包括信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路、以及用来安装被测APD的测试工装，信号处理电路的光脉冲触发信号输出端连接皮秒光脉冲产生模块的输入端，信号处理电路的门控信号输出端连接测试工装上安装的被测APD，皮秒光脉冲产生模块的输出端连接光衰减模块的输入端，光衰减模块的输出端连接所述被测APD，所述信号处理电路、皮秒光脉冲产生模块、光衰减模块、控制电路集成在一块PCB板上。

2.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述信号处理电路包括FPGA、光脉冲触发信号电路、门控信号形成电路、符合门信号形成电路、雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路，FPGA分别连接光脉冲触发信号电路、门控信号形成电路、符合门信号形成电路、雪崩信号整形电路，光脉冲触发信号电路的输出端连接至皮秒光脉冲产生模块，门控信号形成电路的输出端连接被测APD，符合门信号形成电路通过雪崩信号甄别及符合电路、雪崩信号整形电路连接FPGA。

3.根据权利要求2所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述信号处理电路还包括延时电路和时钟缓冲电路，FPGA依次经过延时电路、时钟缓冲电路后，分别连接门控信号形成电路和符合门信号形成电路。

4.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述皮秒光脉冲产生模块包括触发信号甄别电路、延时符合电路、激光器驱动电路、FPGA、偏流控制电路、激光器状态采集电路、激光器及TEC控制电路，FPGA分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路、TEC控制电路，触发信号甄别电路的输入端连接信号处理电路的输出端，触发信号甄别电路的输出端经过延时符合电路连接激光器驱动电路，激光器驱动电路连接激光器，激光器分别连接偏流控制电路、激光器状态采集电路和TEC控制电路，激光器的输出端连接光衰减模块。

5.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，光衰减模块包括MCU、DAC、VOA，MCU与DAC、VOA依次连接，VOA的输入端连接所述皮秒光脉冲产生模块的激光器输出端，VOA的输出端连接被测APD。

6.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，控制电路包括FPGA、制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，FPGA分别连接制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路、偏流采集电路，偏流采集电路连接偏压控制电路，制冷驱动电路、温度采集电路、偏压控制电路连接被测APD。

7.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述被测APD通过导电性胶体贴于测试板上。

8.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述被测APD安装在测试工装上，所述测试工装设置在测试板上。

9.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述被测APD安装在测试工装上，所述测试工装为外置工装，所述测试工装包括PCB支撑工装、封装连接器，所述PCB支撑工装固定在一基板上，测试板固定安装在PCB支撑工装上开设的若干凹槽内，封装连接器固定在测试板上，所述被测APD插在封装连接器上。

10.根据权利要求1所述的一种雪崩二极管的测试装置，其特征在于，所述信号处理电路、控制电路、光衰减模块与测试工装之间设置多通道切换装置，所述多通道切换装置一端连接信号处理电路、控制电路和光衰减模块的信号输入或者输出端口，另一端连接测试工装上安装的多个待测APD，上位机通过所述PCB板连接多通道切换装置。