[發(fā)明專(zhuān)利]一種雙極性偏壓的單光子探測(cè)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210480115.6
• 申請(qǐng)日: 2012-11-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102980668A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁崇智;曾和平;梁焰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣東漢唐量子光電科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01J11/00
• 分類(lèi)號(hào): G01J11/00
• 代理公司: 中山市科創(chuàng)專(zhuān)利代理有限公司 44211
• 代理人: 謝自安

[技術(shù)領(lǐng)域]

本發(fā)明涉及單光子靈敏探測(cè)技術(shù)，具體涉及一種利用正負(fù)雙極性的門(mén)脈沖配合正負(fù)雙極性偏壓實(shí)現(xiàn)高速近紅外單光子探測(cè)的方法。

[背景技術(shù)]

單光子探測(cè)技術(shù)是超靈敏光信號(hào)檢測(cè)的諸多技術(shù)之一，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科以及工程應(yīng)用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著量子信息科學(xué)的興起以及超靈敏光譜學(xué)的發(fā)展，單光子探測(cè)器技術(shù)在其中扮演著越來(lái)越重要的作用。

在眾多波段的單光子探測(cè)技術(shù)中，近紅外單光子探測(cè)技術(shù)由于其應(yīng)用的廣泛性和重要性引起了更多的關(guān)注，尤其是在具有重要應(yīng)用價(jià)值的量子保密通信系統(tǒng)中，通信波段的近紅外單光子探測(cè)器作為核心器件，直接決定了系統(tǒng)的通信距離、成碼率和誤碼率；同時(shí)近紅外單光子探測(cè)器在激光測(cè)距，靈敏紅外光譜檢測(cè)方面也有著重要的應(yīng)用。因此如何提高單光子探測(cè)器的工作頻率、量子效率、降低探測(cè)器的噪聲成為現(xiàn)階段眾多學(xué)科和領(lǐng)域的熱門(mén)課題。

在單光子探測(cè)中，雪崩光電二極管APD一般是工作在所謂的“門(mén)模式”下，在這種模式中，APD的偏置電壓只會(huì)在有可能由光子到達(dá)的很短的一個(gè)時(shí)間內(nèi)高于雪崩電壓，在其他時(shí)間偏置電壓都將低于雪崩電壓。由于APD只有在有可能有光子到達(dá)的時(shí)候才會(huì)處于工作狀態(tài)，因此在其他時(shí)間APD的增益系數(shù)比較低，產(chǎn)生的噪聲信號(hào)很低，也不會(huì)因?yàn)樵肼曅盘?hào)導(dǎo)致APD處于“死狀態(tài)”而不能探測(cè)真正的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因?yàn)楣饴沸畔⑹且阎模垂庾拥竭_(dá)探測(cè)器的時(shí)間也是可以預(yù)測(cè)的，所以“門(mén)模式”的APD在量子保密通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

相對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)抑制和主動(dòng)抑制電路，“門(mén)模式”有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。在被動(dòng)抑制電路中，對(duì)雪崩電流的釋放是通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)完成的。APD的恢復(fù)時(shí)間由APD的分布電容和串聯(lián)電阻的大小決定，通常情況下，串聯(lián)電阻的大小都在數(shù)十千歐姆量級(jí)，使得恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，采用被動(dòng)抑制電路的單光子探測(cè)速率較低。

而在主動(dòng)抑制的電路中，利用雪崩信號(hào)的上升沿作為觸發(fā)信號(hào)，在一次雪崩產(chǎn)生之后，迅速做出反應(yīng)，形成一個(gè)電壓脈沖，將APD的陰極電壓拉低，使得雪崩在很短的時(shí)間內(nèi)得到抑制。由于采用了迅速關(guān)斷的方式，主動(dòng)抑制電路克服了被動(dòng)抑制電路恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而且雪崩時(shí)間短，后脈沖概率較低。但是由于沒(méi)有光子時(shí)，APD仍處于蓋格模式，使得主動(dòng)抑制電路下暗計(jì)數(shù)相對(duì)于后面介紹的門(mén)脈沖模式較高。主動(dòng)抑制電路通常用于連續(xù)探測(cè)模式的單光子探測(cè)。

因此，有必要解決如上問(wèn)題。

[發(fā)明內(nèi)容]

本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種雙極性偏壓的單光子探測(cè)方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速高效的單光子探測(cè)，其采用雙極性門(mén)脈沖配合雙極性直流偏壓來(lái)激勵(lì)雪崩光電二極管，并對(duì)正負(fù)兩部分雪崩信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，正負(fù)門(mén)脈沖偏壓等效與在APD上加置二個(gè)門(mén)脈沖絕對(duì)幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門(mén)脈沖幅度下激勵(lì)A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計(jì)數(shù)和后脈沖的影響，提高探測(cè)效率和單光子探測(cè)器的工作頻率。

另一方面，通過(guò)精密控制雙極性門(mén)脈沖的相對(duì)延時(shí)，也可方便地調(diào)節(jié)尖鋒噪聲的幅值，有利于進(jìn)一步提升尖鋒噪聲的抑制比。相對(duì)較低的雙極性門(mén)脈沖配合雙極性直流偏壓，在降低單光子符合計(jì)數(shù)的超短脈沖門(mén)設(shè)計(jì)的苛刻要求同時(shí)，也提升了單光子探測(cè)器件的在各種不同運(yùn)行條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：

一種雙極性偏壓的單光子探測(cè)方法，雪崩光電二極管工作在雙極性偏置下，利用正負(fù)雙極性的門(mén)脈沖配合正負(fù)雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，通過(guò)噪聲平衡抑制電路實(shí)現(xiàn)尖峰噪聲平衡抑制，通過(guò)信號(hào)甄別提取電路完成單光子雪崩信號(hào)的鑒別提取。

如上所述，正負(fù)雙極性的門(mén)脈沖其波形與相對(duì)延時(shí)精確可調(diào)。

如上所述，正負(fù)雙極性的直流偏壓精確可調(diào)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、利用正負(fù)雙極性的門(mén)脈沖替代傳統(tǒng)的單極性門(mén)脈沖，配合正負(fù)雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，降低對(duì)門(mén)脈沖的要求，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門(mén)脈沖幅度下激勵(lì)A(yù)PD的單光子雪崩，提高探測(cè)效率和單光子探測(cè)器的工作頻率。

2、用正負(fù)雙極性門(mén)脈沖去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單門(mén)脈沖模式，雙極性門(mén)加載在雪崩光電管上可以等效為一個(gè)幅度為兩個(gè)門(mén)幅度的絕對(duì)值疊加，從而能輕松的獲得高幅度的門(mén)脈沖，并且在在探測(cè)效率基本不變的情況下所需的直流偏置會(huì)更低，這就能很好的抑制暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率，使得探測(cè)器的性能進(jìn)一步提高。