[實(shí)用新型]一種雙極性自平衡單光子探測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220623512.X
• 申請(qǐng)日: 2012-11-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202974452U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁崇智;曾和平;閆明
• 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]

本實(shí)用新型涉及高靈敏高速光電探測(cè)類(lèi)，具體涉及一種雙極性自平衡單光子探測(cè)裝置。

[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，尤其是在量子保密通信中。作為量子保密通信系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)就是在光纖通信的三個(gè)低損耗窗口即850nm、1310nm、1550nm中實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。在通信的這三個(gè)窗口，單光子的能量都在10E-19焦耳量級(jí)，達(dá)到探測(cè)器探測(cè)靈敏度的極限。在繼續(xù)研制和開(kāi)發(fā)有更高靈敏度的新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器的同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)APD的控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用市場(chǎng)上現(xiàn)有的APD也能實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。目前世界上成功實(shí)現(xiàn)的量子保密通信系統(tǒng)是靠改進(jìn)APD控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

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，門(mén)模式的基本思想是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。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)控模式的APD在量子保密通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

但是隨著工作頻率的提高，會(huì)使得由于APD容性效應(yīng)充放電帶來(lái)的尖峰噪聲大幅度增大，同時(shí)雪崩的時(shí)間減少了，降低了雪崩幅度，使得雪崩信號(hào)難以從尖峰噪聲中分辨出來(lái)。所以高速單光子探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)是如何從尖峰噪聲中提起微弱的雪崩信號(hào)。當(dāng)單光子探測(cè)器的工作頻率到了幾十兆赫茲以上，一般提取雪崩信號(hào)的方法有兩種，一種是自平衡方法，一種是正弦濾波的方法。正弦濾波的方法加載的門(mén)脈沖為正弦信號(hào)，利用噪聲頻譜成分簡(jiǎn)單，容易濾去的特點(diǎn)，直接將噪聲濾去，電路簡(jiǎn)單。但是在濾去噪聲的同時(shí)，也濾去了雪崩信號(hào)相應(yīng)的頻譜成分，破壞了雪崩信號(hào)的完整性，多次濾波不僅會(huì)降低雪崩信號(hào)的幅度，也會(huì)增大單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)。在激光測(cè)距中，單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)程度直接決定了整套的測(cè)量精度，使用多次濾波的方法時(shí)間抖動(dòng)太大，難以滿足測(cè)距的要求。

自平衡的方法，對(duì)具體門(mén)脈沖波形無(wú)要求，主要利用尖峰噪聲的自相關(guān)性，將APD出來(lái)的響應(yīng)信號(hào)分成兩路，其中一路延時(shí)一個(gè)周期，兩路響應(yīng)信號(hào)相減，從而抵消尖峰噪聲。但是在平衡過(guò)程中，尖峰噪聲兩路信號(hào)的延時(shí)和幅度不易精確調(diào)節(jié)控制，噪聲的抑制比較低，約為15dB。為了提高信噪比，需提高雪崩信號(hào)的幅度，只能提高直流偏置或者門(mén)脈沖信號(hào)，但是，同時(shí)也對(duì)導(dǎo)致后脈沖計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)增大，不利于提高整個(gè)探測(cè)模塊的性能，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

因此，有必要解決如上問(wèn)題。

[實(shí)用新型內(nèi)容]

本實(shí)用新型克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種雙極性自平衡單光子探測(cè)裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速高效的單光子探測(cè)，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，由正負(fù)雙極性脈沖經(jīng)過(guò)APD激發(fā)出的容性噪聲分別通過(guò)長(zhǎng)短延時(shí)線使得相鄰一個(gè)周期的信號(hào)進(jìn)行消噪，由于相鄰兩周期同時(shí)發(fā)生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號(hào)進(jìn)行相減后，抵消門(mén)脈沖加載在APD上的容性噪聲，這樣雪崩信號(hào)就被很好的顯露出來(lái)。

以及通過(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，本實(shí)用新型采用了下列技術(shù)方案：

一種雙極性自平衡單光子探測(cè)裝置，包括有用于感應(yīng)外來(lái)極弱光的雪崩光電管電路1，所述雪崩光電管電路1兩端并聯(lián)有用于提供正負(fù)雙極性高偏壓的正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路2和用于提供雙極性門(mén)脈沖的雙極性門(mén)脈沖產(chǎn)生電路3，所述雪崩光電管電路1輸出端順次連接有用于隔離取樣的傳輸線變壓器電路4、用于消除信號(hào)容性噪聲的自差分噪聲消除電路5、用于信號(hào)放大的寬帶放大器電路6、以及用于雪崩鑒別的高速比較器電路7。