[實用新型]一種噪聲抑制裝置

有效

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• 申請日: 2012-11-28
• 公開（公告）號: CN203011545U
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設計）人: 梁崇智;曾和平;梁焰
• 申請（專利權）人: 廣東漢唐量子光電科技有限公司
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 中山市科創(chuàng)專利代理有限公司 44211
• 代理人: 謝自安

[技術領域]

本發(fā)明涉及一種噪聲抑制裝置，屬于紅外靈敏探測和量子保密通信領域。

[背景技術]

單光子探測技術是超靈敏光信號檢測的諸多技術之一，在物理學、化學、生物學等學科以及工程應用領域有著十分廣泛的應用。近年來，隨著量子信息科學的興起以及超靈敏光譜學的發(fā)展，單光子探測器技術在其中扮演著越來越重要的作用。

在眾多波段的單光子探測技術中，近紅外單光子探測技術由于其應用的廣泛性和重要性引起了更多的關注，尤其是在具有重要應用價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；同時近紅外單光子探測器在激光測距，靈敏紅外光譜檢測方面也有著重要的應用。因此如何提高單光子探測器的工作頻率、量子效率、降低探測器的噪聲成為現階段眾多學科和領域的熱門課題。

在單光子探測中，APD(雪崩光電二極管)一般是工作在所謂的“門模式”下，門模式的基本思想是APD的偏置電壓只會在有可能由光子到達的很短的一個時間內高于雪崩電壓，在其他時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的時候才會處于工作狀態(tài)，因此在其他時間APD的增益系數比較低，產生的噪聲信號很低，也不會因為噪聲信號導致APD處于死狀態(tài)而不能探測真正的光子使APD的量子效率下降。但是由于APD是容性器件，門脈沖會通過APD的結電容在取樣電阻上產生一個微分信號，稱之為尖峰噪聲，尖峰噪聲的幅度隨著重復頻率的提高而增大，成為掩蓋雪崩信號最主要的噪聲，如何抑制門脈沖產生的尖峰噪聲，提取雪崩信號是單光子探測重點研究的技術之一。

在諸多單光子探測噪聲抑制技術中，常見的方案主要有如下幾種：

1.提高APD的偏置電壓或者門脈沖幅度，使得APD的雪崩增益提高，產生的雪崩脈沖高于尖峰噪聲的幅度。這種方法最簡單最直接，但是有兩個缺點：一是僅適用于量子效率較高的場合，二是雪崩增益的提高導致后脈沖噪聲的提高。

2.負脈沖甄別方法，利用雪崩擊穿時雪崩脈沖電流和尖峰脈沖電流的正負抵消作用，探測輸出的負半周信號實現雪崩信號的甄別。這種方法對電路設計要求較高，阻抗失匹和高頻噪聲的干擾均會影響信噪比。

3.平衡的方法，核心思想是生成與尖峰噪聲相類似的共模信號，通過差模網絡抵消共模信號，提取雪崩信號。平衡的方法是現今單光子探測中最普遍采用和效果最好的一種方法。電路實現簡單，對尖峰噪聲的抑制比高，國際上多個研究小組提出了各自不同的平衡方法，具有代表性的有：同軸電纜反射平衡方法、雙APD平衡方法等。這些方法通常能夠將APD的尖峰噪聲抑制20dB左右。

由于現在單光子探測技術正向高重復頻率、高探測效率的方向發(fā)展，在高的重復頻率下，信噪比迅速下降，對噪聲抑制提出了更高的要求，尤其是在光子數可分辨的靈敏探測研究領域，現有的噪聲抑制方法是遠不能滿足其要求的。

[發(fā)明內容]

本發(fā)明的目的是針對上述現有技術的不足之處，提供一種噪聲抑制裝置，該裝置能夠在高重復頻率下對雪崩光電二極管的尖峰噪聲進行抑制，采用級聯(lián)方式提高信噪比，使得信噪比達到最優(yōu)。

為實現上述目的，本發(fā)明采用了下列技術方案：一種噪聲抑制裝置，包括有用于從雪崩光電二極管APD采集信號的取樣電阻，在取樣電阻上順次級聯(lián)有多個噪聲抑制平衡模塊，每個噪聲抑制平衡模塊包括將取樣電阻采集的信號或上一級噪聲抑制平衡模塊輸出的信號分成兩路相同信號的信號分配器，在信號分配器的兩個信號輸出端分別接有兩段不同長度的第一電纜和第二電纜，信號分配器輸出的兩路信號經過第一電纜和第二電纜后在時間上相差一個信號重復周期，所述第一電纜和第二電纜的另一端接有將第一電纜和第二電纜傳送來的兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號的減法器，該減法器的輸出端作為噪聲抑制平衡模塊的輸出端。

所述噪聲抑制平衡模塊的工作頻率范圍是100MHz到2.5GHz。

所述雪崩光電二極管工作在飽和式蓋格模式或亞飽和的非線性增益模式。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、將從雪崩光電二極管采集的信號分成相同的兩路信號，利用了噪聲的相關性使噪聲與噪聲相減，在源頭上保證了在零度減法器兩個輸入端噪聲的高保真以獲得高抑制比，同時采用級聯(lián)多次進行抑制使得裝置整體的信噪比得到很大的提高。

2、本噪聲抑制裝置的噪聲抑制比很大，可輕松達到50dB。即使尖峰噪聲增大了，亦可對其進行有效地抑制，實現高效的單光子探測，這樣，可以提高加載在APD上的門脈沖幅度，相應地直流偏置就可以降低，有效地抑制雪崩光電二極管的后脈沖影響，最終提高單光子探測的有效飽和計數率。