[發明專利]一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法

有效

• 申請號: 201710497489.1
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107271058B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 祁賓祥;黃蕾蕾;趙義博
• 申請（專利權）人: 浙江九州量子信息技術股份有限公司
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;H03K17/22;H03K17/687
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路，包括單光子探測器、偏置電壓單元以及門控脈沖單元，且單光子探測器的陰極通過電阻Rq連接偏置電壓單元，單光子探測器的陽極通過電阻Rs接地，控制電路還包括主動自反饋淬火電路單元，主動自反饋淬火電路單元連接在單光子探測器的陽極，主動自反饋淬火電路單元包括濾波放大器、比較器、淬火控制單元及探測結果輸出單元。與現有技術相比，本發明采用主動自反饋淬火電路單元對雪崩觸發的單光子探測器進行淬火控制，該淬火電路及方法不僅能夠在極短的時間內準確探測微弱雪崩信號，同時可極快的淬滅雪崩并復位，大幅度的提高了單光子的探測效率，也在一定程度上降低了系統電路的冗雜度，降低了系統實現的成本。

技術領域

本發明涉及量子保密通信和微弱光信號技術領域，特別涉及一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法。

背景技術

單光子探測技術是一種實現單個光子量級微弱光檢測的方法，在量子通信、光譜測量、放射探測、高能物理、天文測距、激光雷達等領域有著十分廣泛的應用。在目前的量子通信實驗中，大量采用單光子的狀態作為信息載體進行編碼和處理，單光子探測技術在其中起著極為關鍵的作用。

雪崩光電二極管(APD)單光子探測器以其體積小、低功耗、高性能、實用化等特點在量子通信實驗中廣泛使用。APD的光譜響應覆蓋范圍很廣，主要有三種：Si-APD、Ge-APD、InGaAs/InP-APD，分別對應著400nm～1100nm，800nm～1550nm，900nm～1700nm不同波段的光。在對應的量子通信窗口，單光子的能量都在10^-19J量級，達到現有探測器的探測靈敏度極限，研究和改進APD的淬火驅動技術，可實現單光子信號的有效探測。

作為量子信號獲取的核心器件，單光子探測器的探測效率、暗計數、計數率等參數直接影響著量子通信的傳輸距離和成碼率等關鍵性能。探測效率、暗計數等因素受制于探測器本身的性能，而計數率主要由控制驅動電路的死時間決定。

在單光子探測應用中通常工作在所謂的蓋革模式，即APD兩端的偏置電壓高于其雪崩電壓。在蓋革模式中，一旦有光子或熱生成的載流子到達觸發雪崩，就在電路中產生電流脈沖信號。為了保證器件的安全工作，需要使用適當的淬火驅動電路，使雪崩發生后迅速地切斷雪崩，并使APD恢復到接收光子的狀態。

單光子探測器的淬火方式一般有三種：被動淬火、主動淬火、以及門控方式。被動淬火電路利用電阻串聯來降低APD反向偏壓，其死時間較大，影響單光子探測效率。主動淬火采用自反饋的方式可快速淬滅雪崩，并在很短時間內恢復到雪崩前的水平，其優點是死時間短，但通常電路設計復雜。門控方式常用于光子到達時間已知的單光子探測中，使用門控信號進行淬火控制，其優點是可有效降低暗計數和后脈沖發生概率，但要求門信號與光信號精準同步，且無法減少電路讀出的死時間，高速應用受限于計數率。

發明內容

本發明目的在于提供一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路及控制方法，以實現系統能夠在極短的時間內準確鑒別微弱雪崩信號，及時淬滅雪崩并復位，可有效抑制系統噪聲，實現單光子信號的高速率探測的技術效果。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種高速自反饋的單光子探測淬火控制電路，包括單光子探測器、偏置電壓單元以及門控脈沖單元，單光子探測器的陰極分別與偏置電壓單元、門控脈沖單元連接，且單光子探測器的陰極通過電阻Rq連接偏置電壓單元，單光子探測器的陽極通過電阻Rs接地，所述控制電路還包括主動自反饋淬火電路單元，所述主動自反饋淬火電路單元連接在單光子探測器的陽極，所述主動自反饋淬火電路單元包括濾波放大器、比較器、淬火控制單元以及探測結果輸出單元，所述濾波放大器的輸入端連接單光子探測器的陽極，所述濾波放大器的輸出端依次連接比較器、淬火控制單元以及探測結果輸出單元，所述淬火控制單元的一輸出端連接有可使單光子探測器陽極端電壓升高致單光子探測器雪崩熄滅的電壓控制器S_quench，所述電壓控制器S_quench一端連接有用于平衡單光子探測器偏置電壓的電源V_q，另一端連接單光子探測器陽極。