[發(fā)明專利]一種高速單光子探測(cè)器單片集成電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710607174.8
• 申請(qǐng)日: 2017-07-24
• 公開（公告）號(hào): CN107271059A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張軍;蔣文浩;潘建偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J11/00
• 分類號(hào): G01J11/00
• 代理公司: 北京凱特來知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子通信、單光子探測(cè)、集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速單光子探測(cè)器單片集成電路。

背景技術(shù)

高速單光子探測(cè)器是進(jìn)行超弱光探測(cè)的主要工具，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高速單光子探測(cè)器工作的基本原理是：對(duì)單光子雪崩光電二極管(SPAD)施加高速門控信號(hào)，只有門控信號(hào)到達(dá)時(shí)，SPAD處于工作狀態(tài)。此時(shí)，有光子入射即會(huì)引起SPAD響應(yīng)，產(chǎn)生微弱雪崩信號(hào)，湮沒在高速門控信號(hào)經(jīng)過SPAD后產(chǎn)生的容性響應(yīng)信號(hào)中。后端雪崩信號(hào)提取電路將容性響應(yīng)信號(hào)濾除，同時(shí)將SPAD產(chǎn)生的微弱雪崩信號(hào)放大提取出來，經(jīng)過甄別后輸出探測(cè)信號(hào)。

現(xiàn)有高速單光子探測(cè)器多采用分立的器件如濾波器，放大器設(shè)計(jì)，外形尺寸大，成本高，配置復(fù)雜，同時(shí)電路各項(xiàng)寄生參數(shù)較大，影響探測(cè)器性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高速單光子探測(cè)器單片集成電路，可以極大地提高高速單光子探測(cè)器的集成度，降低高速單光子探測(cè)器的各項(xiàng)寄生參數(shù)和配置難度，降低探測(cè)器成本。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

(與權(quán)利要求相對(duì)應(yīng))。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過高速單光子探測(cè)器單片集成電路提取高速雪崩信號(hào)，一方面取電路體積小，配置簡(jiǎn)單，極大提高整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的集成度；另一方面，電路集成度高，寄生參數(shù)小，極大的抑制了后脈沖概率。此外提取電路對(duì)容性響應(yīng)信號(hào)抑制高，雪崩信號(hào)放大增益大，提高雪崩信號(hào)的信噪比，降低其甄別難度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高速單光子探測(cè)器單片集成電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于LTCC技術(shù)的低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種低噪聲放大電路的結(jié)構(gòu)及配置示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的高速單光子探測(cè)器單片集成電路典型的S21參數(shù)圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的典型的雪崩信號(hào)波形圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的高速單光子探測(cè)器的探測(cè)效率與暗計(jì)數(shù)的性能指標(biāo)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高速單光子探測(cè)器單片集成電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其主要包括：依次連接的第一低通濾波器F1、第一低噪聲放大器A1、第二低噪聲放大器A2與第二低通濾波器F2；其中：

雪崩信號(hào)和高頻容性響應(yīng)信號(hào)的混合信號(hào)經(jīng)輸入端口(1)接入高速雪崩信號(hào)提取芯片，第一低通濾波器F1對(duì)混合信號(hào)中的高頻容性響應(yīng)型號(hào)進(jìn)行初步抑制，其輸出信號(hào)接入依次連接的第一低噪聲放大器A1與第二低噪聲放大器A2進(jìn)行放大，第一低噪聲放大器A1通過第一輸入配置端(3)和第一輸出配置端(2)進(jìn)行配置，低噪聲放大器A2通過第二輸入配置端(5)和第二輸出配置端(4)進(jìn)行配置，經(jīng)過第一低噪聲放大器A1與第二低噪聲放大器A2放大后的信號(hào)再接入第二低通濾波器F2，由第二低通濾波器F2將放大后的信號(hào)中的高頻容性響應(yīng)信號(hào)再一次抑制，最后從輸出端口(6)輸出放大后的雪崩信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例中，采用組件集成的方式將所述第一低通濾波器F1、第一低噪聲放大器A1、第二低噪聲放大器A2與第二低通濾波器F2集成在一個(gè)芯片中。此外，還采用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)，制作了尺寸小，濾波性能好的第一低通濾波器F1與第二低通濾波器F2，通帶頻率范圍DC～1GHz，頻率1GHz以上抑制大于45dB，最大抑制60dB，實(shí)現(xiàn)對(duì)容性響應(yīng)信號(hào)的深度抑制；另一方面采用尺寸小的高性能低噪聲放大器芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)雪崩信號(hào)放大。

為了便于理解，下面針對(duì)各個(gè)器件做進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明實(shí)施例中，第一低通濾波器F1與第二低通濾波器F2具有相同的結(jié)構(gòu)，且基于LTCC技術(shù)制作而成。如圖2所示，為基于LTCC技術(shù)的低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖，利用該結(jié)構(gòu)作為第一低通濾波器F1與第二低通濾波器F2。