(案例)近红外光自由运行单光子探测器应用于1.5μm气溶胶云探测激光雷达
1 产品简述
近红外自由运行单光子探测器模组 GW-NRFR1M 是我司自主研发的一款自由运行单光子探测器，可以探测到单光子水平的微弱光。其中， 1550nm 单光子的典型探测效率 30%，后脉冲＜7%，暗计数＜5k cps，高效率时时间抖动≤150ps。
GW-NRFR1M 单光子探测器采用主动淬灭、主动恢复技术， 实现对雪崩信号的快速抑制，减小模块的暗计数和后脉冲。该产品可用于单光子激光雷达、量子密钥分发、单光子成像、荧光检测等单光子探测领域， 具有高速、稳定、接口易用等特性。其输出的计数脉冲可以为用户后续的光脉冲恢复以及数据后处理提供数据源。并且探测器自带时间数字转换器功能， 可以实时统计输入的单光子的时间信息并输出，无需客户在外部搭建 TDC 系统。
1.1 关键特性
基于 InGaAs APD 单光子雪崩光电二极管，探测波长范围 900-1700nm；
高光子探测效率
死时间可配置
抖动低
LVTTL 输出
+12V 单电源供电
后脉冲概率低
自由运行模式
1.2 技术指标
近红外自由运行单光子探测器模组 GW-NRFR1M 技术指标如表 1-2 所示。
| 序号 | 功能参数 | 技术指标 | 单位 |
| 1 | 通道数 | 1 路 | |
| 2 | 工作波长 | 900-1700 | nm |
| 3 | 运行模式 | 自由运行 | |
| 4 | 制冷时间 | ≤3 | min |
| 5 | 探测效率 | ~30% | @1550nm |
| 6 | 暗计数 | <5k | cps |
| 7 | 后脉冲概率 | <7 | % |
| 8 | 死时间 | 0.2-100 | us |
| 9 | 抖动（高效率） | ≤150 | ps |
| 10 | 供电电源 | DC12 | V |
| 11 | 功耗 | <20 | W |
| 12 | 控制接口 | USB3.0 | |
| 13 | 光输入接口 | FC/UPC | |
| 14 | 输入输出接口 | SMA | |
| 15 | 光纤纤芯直径 | 62.5 | um |
| 16 | TDC 精度 | 100 | ps |
| 17 | 门控宽度 | >100 | ns |
| 18 | 同步信号频率 | >1 | kHz |
| 19 | 工作温度 | 0~35 | ℃ |
| 20 | 存储温度 | -20~60 | ℃ |
| 21 | 产品尺寸 | 110*100*44 | mm |
1.3 硬件接口
近红外自由运行单光子探测器模组 GW-NRFR1M 共有 3 个对外接口，如下表1-3 所示。
表 1-3：GW-VIFR1M 硬件接口
| 序号 | 接口名称 | 接口说明 |
| 1 | Optic in | 光纤输入接口，FC/PC 接头； |
| 2 | Power | 模块供电接口，12VDC 供电； |
| 3 | USB3.0 | 通信接口，可以对设备进行控制，以及 TDC 的数据导出； |
| 4 | Start | TDC 的触发输入信号，LVTTL； |
| 5 | Gate | 门控模式外部输入信号，LVTTL； |
| 6 | Output | 信号输出接口，LVTTL。 |
| 7 | Run | 工作指示灯 |
图 1-2：硬件接口示意图（上图为前视图，下图为后视图）
1.4 典型应用
量子密钥分发领域
单光子激光雷达
荧光寿命检测
单光子成像
光激发检测
2 安装部署
2.1 设备供电可见光自由运行单光子探测器模组GW-VIFR1M前面板中有12VDC供电接口，将其直接接到12VDC电源中，接口形态为DC005-2.5mm圆形插孔。打开供电电源即可完成设备供电（设备上电前请完成5.4章节：设备上电前检查）。
2.2 光纤信号输入直接将光源光纤输出连接至设备光纤输入端即可，这里需要注意的是设备内部使用的是FC/UPC、1550nm波长、62.5um/125um芯径多模光纤，光源尾纤需要与之匹配。另外光源波长需要在900nm-1700nm之间，探测器才能有响应。光源需要衰减到单光子水平才能接入探测器，否则可能导致损坏。
2.3 电信号输出近红外自由运行单光子探测器模组 GW-NRFR1M 是一种自由运行模式单光子探测器，设备供电后有光强输入即产生电信号输出（在没有光强输入的条件下，输出的电信号为设备的暗计数）。输出的电信号可以接入 TDC 仪器、示波器以及其它的应用设备，电信号的输出接口为 SMA 接口。或者直接使用 USB3.0 连接设备，使用设备自带的 TDC 观察光子分布，或者将数据导出离线分析。
图 1：电信号输出接入 TDC 仪器示意图
图 2：电信号输出接入示波器示意图
3 客户端软件
3.1 驱动安装
（1）设备上电，将 USB3.0 线缆连接电脑和设备；
（2）打开电脑的设备管理器，找到设备，一般尾缀是 FT601；
（3）右键点击设备，安装驱动程序，从 U 盘中选择 driver/Win10 文件夹并安装，安装成功后，系统会进行提示。
3.2 客户端软件界面
图 3-1：客户端软件界面
（1）设备连接
图 3-2：设备连接示意图
连接好 USB 之后，需要先点击更新，找到设备之后才能点击输出。使用完成之后需要先点击停止，才能拔掉 USB，否则可能会导致连接不上。
（2）探测器参数
图 3-3：探测器参数示意图
探测器参数是敏感参数，一般只允许改变死时间参数；
（3）探测器状态上报
图 3-4：探测器状态上报示意图
包含探测器的参数，主要是板子温度、单光子雪崩二极管的工作温度、偏压、偏流、探测器计数等参数。
（4）TDC 数据保存
图 3-5：TDC 数据保存示意图
TDC 的数据保存路径，可以选择指定路径。
（5）TDC 采集设置
图 3-6：TDC 采集设置示意图
可以选择采集时间、采集精度， 然后选择统计分布或者原始数据的采集，也可以一直循环采集，数据将在同一个图形中进行叠加。
（6）TDC 图形设置
图 3-7：TDC 图形设置示意图
可以根据实际需求调整图形的显示范围，方便观测。
（7）TDC 数据分布显示区域设置
图 3-8：TDC 数据分布显示区域设置示意图
数据分布显示区域，可以根据实际需求选择是否使用对数模式。
3.3 客户端软件使用
（1）连接好 USB3.0 的线缆，设备上电；
（2）打开 DET_Free_v1.0.7.exe 软件，点击 USB device 中的更新之后，输出 USB 的 ID 号，点击输出，设备连接成功；
（3）选取好 TDC 统计数据保存和 TDC 原始数据保存的存储路径后，即可以开始使用；
（4）选取好精度之后点击统计数据采集，右边的图形就会出现统计数据分布，可以根据实际需求，放大或者缩小。并且统计的数据会保存在指定路径下。
（5）点击原始数据采集，会根据设置的时间将原始的时间差数据保存在指定路径下。
3.4 导出数据说明
（1）统计采集数据
GW-NRFR1M 支持 10ns、1ns 和 100ps 采集精度的统计采集功能。 客户端软件采集原始数据并根据设置的采集精度累积成时间-计数分布曲线保存至设计的文件夹内并将图形在界面上显示。PC 端存储的数据为.txt 格式，文件内第一行为设置的采集精度，从第二行开始为累积计数，每一行有两列，第一列为当前累积计数在第几个 bin 内。从 0 开始计数。第二列为当前bin 内的累积计数值。
图 3-9：统计采集时间-计数分布曲线数据
（2）原始采集数据
上位机通过USB获取统计时间内的所有探测事件的时间信息，统计时间可通过上位机设置。保存数据为.txt格式。文件内数据为两列数据，第一列为Start信号ID,从0到65535循环，从Start信号接入即从0开始循环，第二列为每一个Start信号内探测事件相对该Start信号的时间差，单位为ps。
图 3-10：原始采集数据
4 外形尺寸
图 4-1：外形尺寸图
5 系统运行与维护
5.1 设备工作环境
（1）请按照用户使用中安装部署要求进行设备操作，以免非正常操作导致设备损坏；
（2）为保证设备性能良好，请在规定的温度范围内使用，并且通风散热；
（3）非专业人员请勿拆开设备。
5.2 设备电源供电
可见光自由运行单光子探测器模组 GW-VIFR1M 采用 12VDC 电源供电，为保护设备正常运行，建议设备供电的电流限制在 2A。为保护设备及操作设备安全，
建议可靠接地。
（1）电源要求：额度输入电压为 12V±10%，输入限制电流 2A；
（2）电源连接：按照图 3 中的要求连接，切勿将电源正负极接反。
5.3 接口与线缆连接
（1）电源按照设备电源供电接线，注意供电为 12VDC，电流限制为 2A；
（2）Output 接口为 SMA 接口，探测计数脉冲信号，可以接到测试设备中，默认 LVTTL 电平输出（支持定制 50ohm 输出）；
（3）Optic in 接口为光纤输入接口，支持 FC/UPC 接口输入。
5.4 设备上电前检查
（1）设备平稳放置，按照安装部署要求进行连线；
（2）设备安装部署中处于断电状态；
（3）设备线缆已连接，且连接正确；
（4）注意供电电源、电流限制；
（5）探测器模块的输入光功率峰值不能超过 0.1mW，否则会导致探测器烧毁。