[實用新型]一種低時間抖動的單光子探測器

有效

• 申請號: 201720386523.3
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN206959996U
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 吳青林;姜倩文;林楚明;方森智
• 申請（專利權）人: 華中師范大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 黃行軍

技術領域

本實用新型涉及光纖通信領域中的微弱近紅外光探測與量子保密通信技術等領域，具體地指一種低時間抖動的單光子探測器。

背景技術

單光子探測在光譜分析、生物發光、精密測量、量子信息等領域有著廣泛的應用。當前的單光子探測方案中，雪崩光電二極管APD因為探測效率較高、響應速度快、體積小、成本低而成為最為實用的單光子探測器件。

APD用于單光子探測時，須工作于蓋革模式，即APD的反向偏置電壓大于其雪崩電壓。在蓋革模式下，APD吸收單光子后產生的載流子會觸發所謂的“自持雪崩”過程，光電流被迅速放大，產生足以被后續電路檢測到的雪崩電信號。由于自持雪崩是一個正向反饋過程，一旦發生就不會自行猝滅。為保護APD，并使其可以連續探測單光子，必須在雪崩發生后及時猝滅雪崩過程。常見的雪崩猝滅的方法有：主動猝滅，被動猝滅和門控模式。主動猝滅和被動猝滅可以探測未知時刻到達的光子，但是這兩種方法的猝滅時間較長，因此探測速率通常小于兆赫茲。門控模式可以減少雪崩猝滅的時間，其原理是APD的反向直流偏置電壓小于雪崩電壓，只有單光子脈沖到達時，才通過一個門控脈沖使APD的偏置電壓大于雪崩電壓，雪崩過程隨著門控脈沖的撤銷而迅速猝滅，從而在保證探測效率的前提下，大大提高探測速率并降低暗計數率。

在門控模式下，雪崩電信號的幅度是隨機起伏的，引起雪崩電信號幅度起伏的原因很多，比如當激光器工作在單光子模式時，每個光脈沖包含的光子數少，光子到達探測器的時間服從泊松分布致使雪崩響應偏離門信號中心位置，導致雪崩電信號的幅度隨機起伏。此外，光子到達APD器件吸收面的位置不同，產生載流子的初始能量不確定也將使雪崩電信號的幅度隨機起伏?，F有的單光子探測器的雪崩信號處理模塊直接將提取的雪崩電信號輸入到比較器，與固定的閾值電平進行比較，從而將雪崩電信號轉化為數字信號作為探測器的輸出。由于雪崩電信號幅度隨機起伏和本底噪聲的存在，閾值電平必須大于本底噪聲的幅度，因此輸出數字信號的前沿會隨著雪崩電信號幅度的起伏而前后移動，這一時間變化量就稱為探測器的時間抖動，如附圖3 所示。

在激光測距中，單光子探測器的時間抖動程度直接決定了整套裝置的測量精度，現有的單光子探測器的時間抖動一般都比較大，難以滿足測距要求。

發明內容

本實用新型的目的是為了要解決上述背景技術的不足，提供一種能大大降低探測系統的時間抖動，同時不影響系統的探測效率、暗計數率等性能的低時間抖動的單光子探測器。

本實用新型的技術方案為：一種低時間抖動的單光子探測器，包括：單光子信號探測模塊1、雪崩信號提取模塊2和雪崩信號處理模塊3，所述單光子信號探測模塊1的輸出端與所述雪崩信號提取模塊 2的輸入端相連，所述雪崩信號提取模塊2的輸出端與所述雪崩信號處理模塊3的輸入端相連，其特征在于：所述單光子信號探測模塊1 包括工作在門控模式下的雪崩光電二極管APD；所述雪崩信號處理模塊3為限幅放大器8，所述限幅放大器8的輸入端與雪崩信號提取模塊2的輸出端相連，所述限幅放大器8的工作帶寬大于所述雪崩電信號的帶寬，所述限幅放大器8的輸入信號門限值大于所述雪崩信號提取模塊2輸出信號中的本底噪聲的幅度；所述限幅放大器8將所述雪崩電信號轉換成數字信號輸出。

優選的，可在所述單光子信號探測模塊1的雪崩光電二極管APD 的兩端反向加載直流電壓V_A，所述直流電壓V_A小于所述雪崩光電二極管的雪崩電壓V_B；所述雪崩光電二極管的陰極通過隔直電容C與門控信號輸入端1.2相連，所述門控信號輸入端1.2輸入幅度為V_g的正弦門控信號，所述V_g、V_A和V_B滿足V_A+V_g>V_B，所述雪崩光電二極管的陽極為所述單光子信號探測模塊1的輸出端。

優選的，所述門控信號可為頻率為f_g的正弦信號，所述雪崩信號提取模塊2可由中心頻率分別為f_g、2f_g、3f_g的帶阻濾波器4、5、6 和低噪聲射頻小信號放大器7相互串聯組成。

優選的，所述門控信號可為正弦信號，所述雪崩信號提取模塊2 可包括串聯的低通濾波器和低噪聲射頻小信號放大器，所述低通濾波器的截止頻率小于所述門控信號的頻率且大于所述雪崩電信號的帶寬