[發(fā)明專利]超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710206594.5
• 申請(qǐng)日: 2017-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN107036722A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃梓楠;喻敏;梁焰;曾和平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J11/00
• 分類號(hào): G01J11/00
• 代理公司: 上海德昭知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31204
• 代理人: 郁旦蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高速量子探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，隨著量子力學(xué)和信息科學(xué)的飛速穩(wěn)步發(fā)展,導(dǎo)致了新興交叉學(xué)科——量子信息科學(xué)的誕生，其發(fā)展為經(jīng)典信息科學(xué)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)已引起物理學(xué)界和信息學(xué)界的廣泛關(guān)注。目前，量子信息科學(xué)的研究中大量采用單光子作為量子信息的載體，因此單光子探測(cè)技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。作為近紅外通信波段光子的有效檢測(cè)器件，基于InGaAs/InP雪崩光電二極管(APD)的單光子探測(cè)器，不僅具備尺寸小、功耗低、僅需半導(dǎo)體制冷甚至無需制冷、易于集成的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)外，還具備探測(cè)效率高、暗計(jì)數(shù)低、時(shí)間抖動(dòng)小，最大計(jì)數(shù)率高等性能優(yōu)勢(shì)。考慮到這些優(yōu)勢(shì)，在量子密鑰分發(fā)、深空探測(cè)及通信、激光測(cè)距等系統(tǒng)中，InGaAs/InPAPD已被廣泛使用。因此，為了滿足各領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需求，提升系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)基于InGaAs/InPAPD的高速低噪聲單光子探測(cè)勢(shì)在必行。

InGaAs/InPAPD一般具有兩種工作模式，即線性模式和蓋革模式。為了實(shí)現(xiàn)單光子水平下的弱光信號(hào)檢測(cè)，雪崩光電二極管往往需要工作在門控蓋革模式下以響應(yīng)單個(gè)光子。然而由于APD結(jié)電容的微分效應(yīng)，充放電產(chǎn)生的尖峰噪聲會(huì)將有效的光生雪崩信號(hào)湮沒，同時(shí)隨著門脈沖重復(fù)頻率的提高，尖峰噪聲信號(hào)增大，有效雪崩時(shí)間縮短，會(huì)進(jìn)一步增大有效雪崩信號(hào)的提取難度。因此，如何消除尖峰噪聲并從中提取出微弱的有效雪崩信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)門控模式InGaAs/InP APD單光子探測(cè)的核心問題，而目前發(fā)展較為成熟的方案主要有基于差分平衡技術(shù)的等效電容平衡方案、自平衡方案和基于濾波技術(shù)的正弦門濾波方案。

基于差分平衡的探測(cè)方案的核心在于模擬產(chǎn)生一個(gè)與尖峰噪聲類似的噪聲信號(hào)，將其與包含了雪崩信號(hào)的APD輸出信號(hào)通過差模網(wǎng)絡(luò)抵消，最終提取出有效的雪崩信號(hào)。這種技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)非常高的尖峰噪聲抑制比，但由于其最大工作頻率仍局限在百兆赫茲水平，一般只適合特定較窄頻域和較低工作頻率的探測(cè)。

正弦門控技術(shù)可一舉將門信號(hào)重復(fù)頻率提高到吉赫茲水平，其關(guān)鍵在于APD中的等效結(jié)電容對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生入方波那樣的復(fù)雜畸變，可根據(jù)噪聲信號(hào)的頻譜特性，直接使用濾波器除去尖峰噪聲。這種方法電路簡(jiǎn)單，然而在濾去噪聲的同時(shí)會(huì)將雪崩信號(hào)相應(yīng)的頻譜成分也濾掉，破壞了信號(hào)的完整性，多次濾波不僅降低雪崩信號(hào)的幅度，也會(huì)使得時(shí)間抖動(dòng)變大，且由于低頻的正弦波對(duì)應(yīng)的脈沖寬度較寬不可調(diào)，在低頻應(yīng)用中會(huì)引起過量暗計(jì)數(shù)，造成嚴(yán)重的后脈沖效應(yīng)，因此這種主要應(yīng)用于高速單光子探測(cè)，工作頻率接近于GHz或以上，可調(diào)節(jié)的工作頻率范圍有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)高效高速的單光子探測(cè)。

本發(fā)明提供了一種超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)，具有這樣的特征，包括：門脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生幅值、脈寬可調(diào)的門脈沖信號(hào)；單光子產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生單光子源；容性平衡電路，用于提取初始雪崩信號(hào)；低通濾波電路，對(duì)初始雪崩信號(hào)進(jìn)行濾除得到有效雪崩信號(hào)；以及信號(hào)處理顯示電路，與低通濾波電路連接，用于對(duì)有效雪崩信號(hào)進(jìn)行處理并顯示有效雪崩計(jì)數(shù)，其中，容性平衡電路具有：雪崩信號(hào)產(chǎn)生模塊，至少具有雪崩光電二極管，該雪崩光電二極管的一端加載有耦合后的門脈沖信號(hào)以及直流偏置電壓，該雪崩電光二極管與單光子產(chǎn)生裝置連接，在單光子源的作用下，產(chǎn)生湮沒于尖峰噪聲信號(hào)中的原始雪崩信號(hào)；模擬電容模塊，用于模擬雪崩光電二極管的電容特性，一端加載有耦合后的門脈沖信號(hào)以及直流偏置電壓；差分放大模塊，與雪崩信號(hào)產(chǎn)生模塊以及模擬電容模塊分別連接，用于將尖峰噪聲進(jìn)行差分、放大得到初始雪崩信號(hào)。

在本發(fā)明提供的超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，門脈沖信號(hào)發(fā)生裝置具有信號(hào)發(fā)生器以及門控信號(hào)產(chǎn)生電路，該門控信號(hào)產(chǎn)生電路具有用于壓窄脈寬的高速比較器、電壓可調(diào)衰減器以及放大器。

在本發(fā)明提供的超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，門脈沖信號(hào)的脈寬最窄可小于1納秒。

在本發(fā)明提供的超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，低通濾波電路為低通濾波器，該低通濾波器的截止頻率范圍為700MHz～1GHz。

在本發(fā)明提供的超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，信號(hào)處理顯示電路具有放大有效雪崩信號(hào)的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及顯示元件。