[實(shí)用新型]吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200920187658.2
• 申請日: 2009-09-21
• 公開（公告）號: CN201497580U
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙天鵬;劉云;何德勇;徐軍;趙義博;韓正甫;郭光燦
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽問天量子科技股份有限公司
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所 34114
• 代理人: 金惠貞

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及量子保密通信和微弱紅外光探測等領(lǐng)域，為一種紅外單光子探測器。

背景技術(shù)

單光子探測技術(shù)在很多領(lǐng)域，如光時域反射計(jì)、光纖通信、量子密鑰分配(QKD)、熒光和拉曼光譜學(xué)等已成為一項(xiàng)很普及的技術(shù)。傳統(tǒng)上，光電倍增管(PMT)可應(yīng)用于單光子探測，它具有低的暗計(jì)數(shù)和極高的時間分辨率，但是它對波長超過1微米的光的探測效率很低(小于1％)，這使得它在紅外測量領(lǐng)域幾乎沒有實(shí)用價值。硅雪崩光電二極管(雪崩光電二極管簡稱APD)也可作為單光子探測的核心器件，在400nm至900nm波段具有很好的性能，成品的暗計(jì)數(shù)小于25cps，同時量子效率可達(dá)到70％，但是硅材料的帶隙寬度決定了它對波長超過1微米的光幾乎不響應(yīng)。對于光通信窗口1300nm和1550nm的單光子探測，早先報(bào)道過基于鍺APD的單光子探測實(shí)驗(yàn)，為了得到較低的暗計(jì)數(shù)，鍺APD必須被冷卻至77K，在這個溫度下，鍺材料的截止波長移到1450nm，這時它在1550nm窗口也基本沒有響應(yīng)。為降低紅外單光子探測的暗計(jì)數(shù)，有人考慮采用光膠法研制一種混合型的APD，其中以銦鎵砷作為吸收層，而硅作為倍增層，但是，到目前為止，這種器件的性能還未達(dá)到可實(shí)用的水平。近年來，基于超導(dǎo)材料的紅外單光子探測成為研究的一個熱點(diǎn)，原因是相對于傳統(tǒng)的基于APD的紅外單光子探測器，超導(dǎo)紅外單光子探測器具有極低的暗計(jì)數(shù)和極高的計(jì)數(shù)率，性能上有著較大的優(yōu)勢，但是，由于超導(dǎo)紅外單光子探測器需要極低的工作溫度(約4K)，因此很難獲得廣泛的應(yīng)用。

目前，大多數(shù)通訊波段的紅外單光子探測仍然采用銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管(InGaAs/InP?APD)作為光敏感元件，將其使用在反偏電壓高于其雪崩電壓的所謂的蓋革模式(Geiger?mode)下工作。在該模式下，APD在單光子的觸發(fā)下發(fā)生“自持雪崩”，APD可產(chǎn)生足夠大的增益，以保證單光子信號可以被后續(xù)電路檢測到。當(dāng)發(fā)生“自持雪崩”后，需要在下一個光子到達(dá)APD前淬滅該雪崩過程，以確保APD能有效接收下一個光子。淬滅雪崩過程的方法有三種：無源淬滅、有源淬滅和門控模式。無源和有源淬滅方法可使APD測量未知時刻到來的光信號。但如果事先可以確定光子到達(dá)APD的時間，則可以采用門控模式，與前兩種方法相比，該模式可以得到更高的探測效率和更小的暗計(jì)數(shù)，而且特別適合量子通信技術(shù)的需求。

當(dāng)APD工作在蓋革模式下，由于APD結(jié)電容的微分效應(yīng)，門脈沖通過APD后會產(chǎn)生幅度很大的尖峰噪聲，而單光子雪崩信號正好夾在正反向的尖峰噪聲之間，并且信號幅度小于尖峰噪聲的幅度，因此如何提取單光子雪崩信號非常關(guān)鍵。

對于InGaAs/InP?APD，其材料中存在的缺陷會成為載流子的俘獲中心。當(dāng)單光子通過APD的雪崩效應(yīng)激發(fā)出大量的載流子后，部分的載流子會被這些俘獲中心俘獲，然后經(jīng)過一段時間后被釋放。如果此時APD具備自持雪崩條件，那么這些被釋放的載流子也會產(chǎn)生雪崩信號，這種現(xiàn)象稱為后脈沖效應(yīng)。顯然，后脈沖效應(yīng)必須被抑制。如果兩次單光子探測的時間間隔大于μs量級，就可有效的抑制后脈沖效應(yīng)，但是這會限制單光子探測的門控重復(fù)頻率，一般在MHz量級。為了提高單光子探測的重復(fù)頻率，例如達(dá)到GHz量級，可以減小InGaAs/InP?APD的雪崩增益，使被俘獲的載流子數(shù)目減少，以減小后脈沖效應(yīng)發(fā)生的幾率。但是這樣單光子雪崩信號就會十分微弱，難以有效探測，而由APD結(jié)電容產(chǎn)生的尖峰噪聲卻沒有明顯減小，因此提取單光子雪崩信號變得更加困難。于是尖峰噪聲抑制技術(shù)在高速紅外單光子探測中變得更為關(guān)鍵。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種吉赫茲(GHz)脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，可以有效抑制尖峰噪聲對雪崩信號的干擾，提高雪崩信號的檢測靈敏度，因而可用于GHz高速紅外單光子探測。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下：

吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，包括脈沖門控功率源，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路，直流電壓偏置電路，低通濾波器，高速寬帶放大器，超高速比較器和計(jì)數(shù)器，其中：

脈沖門控功率源的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的門控輸入端相連，直流電壓偏置電路的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的直流電壓偏置端相連，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的輸出端與低通濾波器的輸入端相連，低通濾波器的輸出端與高速寬帶放大器的輸入端相連，高速寬帶放大器的輸出端與超高速比較器的輸入端相連，超高速比較器的輸出端與計(jì)數(shù)器的輸入端相連。

所述的吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器中：