[發(fā)明專利]一種并行雪崩光電二極管陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610247486.8
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN107271055B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐軍;何德勇;易波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01J5/22
• 分類號: G01J5/22
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 吳娜

本發(fā)明涉及一種并行雪崩光電二極管陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)，包括并行APD陣列驅(qū)動電路，其輸出端與并行APD陣列的輸入端相連，并行APD陣列的輸出端與信號探測電路的輸入端相連，信號探測電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，信號模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與信號處理電路的輸入端相連，信號處理電路的輸出端與數(shù)字信號輸出電路的輸入端相連。本發(fā)明使用并行APD陣列將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號，利用直流偏置電壓電路使并行APD陣列工作于蓋革模式，利用高速脈沖門控時序信號電路以及多通道光開關(guān)實現(xiàn)并行APD陣列的通道時序切換功能，減小了APD器件的死時間，克服了探測器的后脈沖效應(yīng)，有效提高探測器的工作頻率和探測效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子通信和量子信息技術(shù)中微弱信號探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種并行雪崩光電二極管陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，紅外單光子探測器主要使用的是利用APD器件進行光電探測的方法，其原理是利用光生載流子的光電效應(yīng)，結(jié)型半導(dǎo)體器件在接收到單個光子時，借助強電場作用產(chǎn)生載流子的雪崩倍增效應(yīng)，從而獲得高靈敏的微弱雪崩信號，并由此發(fā)展出一些特殊的光電信號處理方法，取得了很大的進展，并且在實際量子密碼通信系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。

基于InGaAs/InP?APD器件的紅外單光子探測器具有響應(yīng)速度快，探測靈敏度高，暗計數(shù)率低，計數(shù)重復(fù)率高，成本低，實用性強等優(yōu)點，并且InGaAs/InP?APD作為異質(zhì)結(jié)化合物半導(dǎo)體器件近年來在器件工藝和結(jié)構(gòu)的研究取得較大進展，性能指標得到提高，商用化器件已研制成功。隨著器件性能的改善和微弱信號檢測電子學(xué)方法的發(fā)展，基于InGaAs/InP?APD的單光子探測器仍然是未來高速紅外單光子探測技術(shù)的主流方法。

由于InGaAs/InP?APD材料中存在一些缺陷，容易成為載流子的俘獲中心。由于載流子被俘獲中心俘獲后，經(jīng)過一段時間后釋放出來，也會產(chǎn)生雪崩信號，即后脈沖效應(yīng)，目前的主要解決方法是設(shè)置一定的死時間，即雪崩被抑制后的一段時間內(nèi)，使加在APD上的偏壓遠小于雪崩電壓，以保證釋放的載流子無法觸發(fā)雪崩。例如對于觸發(fā)頻率為100MHz數(shù)量級的單光子探測器來說,其最大計數(shù)率不超過100kHz，通過設(shè)置合適的死時間將APD偏壓減小并持續(xù)幾個μs時間不進行探測，從而可以有效的解決后脈沖效應(yīng)問題。但是對于計數(shù)重復(fù)率要求GHz以上的高速探測器來說，兩次有效探測之間的死時間最多只能設(shè)置為1ns數(shù)量級，遠遠低于APD中的載流子壽命，因此根本無法克服高速探測時的后脈沖效應(yīng)影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠減小APD器件的死時間，有效提高探測器的工作頻率和探測效率的并行雪崩光電二極管陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種并行雪崩光電二極管陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)，包括用于驅(qū)動并行APD陣列的并行APD陣列驅(qū)動電路，其輸出端與并行APD陣列的控制輸入端相連，并行APD陣列的輸出端與用于將并行APD陣列輸出的單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號并將該雪崩信號提取出來的信號探測電路的輸入端相連，信號探測電路的輸出端與用于將提取出來的雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，信號模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與用于對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行甄別探測和計數(shù)的信號處理電路的輸入端相連，信號處理電路的輸出端與數(shù)字信號輸出電路的輸入端相連。

所述并行APD陣列由分立的多個APD器件形成并行的陣列結(jié)構(gòu)，或是由多個APD芯片集成在同一個芯片上封裝成一個器件；所述并行APD陣列包含兩個控制輸入端和一個輸出端，其中直流偏置電壓信號輸入作為第一控制輸入端，交流門控偏置信號輸入作為第二控制輸入端，雪崩電信號輸出作為輸出端。