[發(fā)明專利]容性平衡和自差分平衡級聯(lián)的高速單光子探測系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611024667.0
• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN108072453A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發(fā)明（設計）人: 曾和平;黃梓楠;梁焰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海朗研光電科技有限公司
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種容性平衡和自差分平衡級聯(lián)的高速單光子探測系統(tǒng)，其包括容性平衡模塊和自差分平衡模塊，容性平衡模塊和自差分平衡模塊相連；容性平衡模塊包括第一發(fā)光二極管、第一電阻、第二電阻、第一可調(diào)電容、可調(diào)電阻、差分器、第一放大器，第一發(fā)光二極管與第一電阻相連等；自差分平衡模塊包括功分器、可調(diào)移相器、可調(diào)衰減器、差分器、第二放大器，可調(diào)移相器和可調(diào)衰減器都位于功分器和差分器內(nèi)側(cè)等。本發(fā)明能夠提高高速高效的近紅外單光子探測，且在高速探測應用中保障了噪聲信號的高抑制比和不改變?nèi)魏卧骷臈l件下，探測器的工作重復頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

技術領域

本發(fā)明涉及一種高速單光子探測系統(tǒng)，特別是涉及一種容性平衡和自差分平衡級聯(lián)的高速單光子探測系統(tǒng)。

背景技術

近紅外單光子探測器在通信波段的應用中，最受關注的熱點領域之一就是量子密鑰分發(fā)技術。為實現(xiàn)實用化的量子密鑰分發(fā)技術，探測器需要有較高的探測效率、較低的暗計數(shù)率(即信噪比高)和較高的工作頻率(提高成碼率)。目前，在1550nm通信波段最廣泛使用的單光子探測器件即為InGaAs/InP雪崩光電二極管(APD)單光子探測器，不僅具備尺寸小、功耗低、僅需半導體制冷甚至無需制冷、易于集成的生產(chǎn)優(yōu)勢外，還具備探測效率高、暗計數(shù)低、時間抖動小，最大計數(shù)率高等性能優(yōu)勢。

InGaAs/InP APD一般具有兩種工作模式，即線性模式和蓋革模式。為了實現(xiàn)單光子水平下的弱光信號檢測，雪崩光電二極管往往需要工作在蓋革模式下以響應單個光子。然而由于在蓋革模式下，光生雪崩載流子迅速飽和輸出，短時間內(nèi)無法恢復以再次響應光子信號，同時自持雪崩過久會造成APD損壞，因此雪崩發(fā)生后必須使其停止下來，即雪崩抑制。目前InGaAs/InP APD一般采用門控模式進行雪崩抑制，然而由于APD的容性效應，充放電產(chǎn)生的尖峰噪聲會將有效的雪崩信號湮沒，因此只有消除這種尖峰噪聲才能提取出雪崩信號。如何從尖峰噪聲中實現(xiàn)雪崩信號的穩(wěn)定提取，是實現(xiàn)近紅外單光子探測的首要問題，也是近 年來單光子探測重點研究的技術之一。

實現(xiàn)門控InGaAs/InP APD單光子探測，其核心在于降低微分噪聲的幅度和提高雪崩信號的甄別度，而目前最具代表性同時發(fā)展較為成熟的方案即為基于平衡方案的探測技術和正弦門濾波技術。

基于平衡方案的探測技術是目前單光子探測中最普遍采用也是效果最好的一種方法，其核心思想在于模擬產(chǎn)生一個與尖峰噪聲類似的共模信號，通過差模網(wǎng)絡抵消這個共模信號，從而提取出有效的雪崩信號。這種方法電路實現(xiàn)簡單且對噪聲抑制比高，國際上多個研究小組提出了多種平衡方法，其中包括同軸電纜反射平衡、雙APD平衡、可調(diào)電容平衡和自差分平衡。同軸電纜反射平衡法可以獲得～17dB噪聲抑制比，但對電纜線的電學特性以及電路設計的要求較高；雙APD平衡法可獲得較高的噪聲抑制比，但只有一個APD處于探測狀態(tài)造成資源浪費，大大提高了生產(chǎn)成本；可調(diào)電容平衡法利用電容特性相同或相似的電容(實際電路中采用高速二極管)替代雙APD平衡法中的一個APD，相對降低成本但其工作頻率范圍有限；自差分平衡方法相比可獲得更高的噪聲抑制比，但使用這種方法的探測器只能工作在固定頻率，無法實現(xiàn)探測器工作頻率連續(xù)可調(diào)。正弦門濾波技術主要應用于GHz的高速探測，根據(jù)噪聲的頻譜特性直接濾除尖峰噪聲提取雪崩信號，這種方法可實現(xiàn)高速探測，但濾波技術易導致雪崩信號失真，破壞了信號的完整性，引起時間抖動變大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種容性平衡和自差分平衡級聯(lián)的高速單光子探測系統(tǒng)，其能夠提高高速高效的近紅外單光子探測，且在高速探測應用中保障了噪聲信號的高抑制比和不改變?nèi)魏卧骷?的條件下，探測器的工作重復頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。