[實用新型]一種頻率可調(diào)諧的單光子探測器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720386932.3
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN206804152U
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳青林;姜倩文;林楚明;方森智
• 申請（專利權(quán)）人: 華中師范大學
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司42104
• 代理人: 黃行軍

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及光纖通信領(lǐng)域中的微弱近紅外光探測與量子保密通信技術(shù)等領(lǐng)域，具體地指一種頻率可調(diào)諧的單光子探測器。

背景技術(shù)

單光子探測在光譜分析、生物發(fā)光、精密測量、量子信息等領(lǐng)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(chǎn)生的載流子會觸發(fā)所謂的“自持雪崩”過程，光電流被迅速放大，產(chǎn)生足以被后續(xù)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(fā)生就不會自行猝滅。為保護APD，并使其可以連續(xù)探測單光子，必須在雪崩發(fā)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(shù)率。

但是在門控模式下，由于APD結(jié)電容的存在，門控脈沖通過APD時，脈沖的上升沿和下降沿均會產(chǎn)生幅度較大的尖峰狀噪聲，疊加在探測器的輸出端，而單光子引起的雪崩電信號幅度相對較小。因此，對工作于門控模式的APD，如何有效地抑制噪聲以提取微弱的雪崩信號就成為提高探測器性能的關(guān)鍵。目前抑制尖峰狀噪聲的方法主要有自差分法、正弦波濾波法等。自差分的方法利用不同長度的延遲線構(gòu)造出相差一個延時周期的兩條路徑，將APD輸出信號分別通過兩條路徑后差分相消，去除尖峰噪聲從而提取雪崩信號；正弦波濾波的方法則利用正弦信號作為門控信號，經(jīng)過APD結(jié)電容產(chǎn)生的尖峰噪聲頻譜成分僅出現(xiàn)在門頻率及其整數(shù)倍處，因此引入若干個帶阻濾波器即可濾除對應的正弦信號頻率及其二、三次諧波頻率，從而提取出雪崩信號。這些方法在一定條件下均可抑制尖峰噪聲，但也存在不足之處：自差分法的延遲線長度與正弦波濾波法的帶阻濾波器中心頻率均由門控脈沖的工作頻率決定，一旦探測器設(shè)計完成，其工作頻率就是固定的，靈活性差。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的目的是為了要解決上述背景技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好、門控脈沖頻率連續(xù)可調(diào)的頻率可調(diào)諧的單光子探測器。

本實用新型的技術(shù)方案為：一種頻率可調(diào)諧的單光子探測器，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，其特征在于，所述單光子信號探測模塊1包括雪崩光電二極管APD，所述雪崩光電二極管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；所述雪崩信號提取模塊2為低通濾波器，所述低通濾波器的輸入端與所述單光子信號探測模塊1的輸出端相連，所述低通濾波器的輸出端接入所述雪崩信號處理模塊3的輸入端。

優(yōu)選的，所述雪崩信號處理模塊3可包括依次串聯(lián)的射頻放大器和高速比較器。

優(yōu)選的，所述正弦門控信號的頻率可在大于低通濾波器的截止頻率的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

優(yōu)選的，所述單光子信號探測模塊1輸出的信號中包括雪崩電信號，所述低通濾波器的截止頻率大于所述雪崩電信號的帶寬。

本實用新型的工作原理：本實用新型采用工作在正弦門控模式下的雪崩光電二極管APD將單光子信號轉(zhuǎn)換為雪崩電信號輸出給雪崩信號提取模塊2，所述雪崩光電二極管APD輸出的信號中還包含門控噪聲，所述雪崩信號提取模塊2將所述雪崩電信號從門控噪聲中提取出來后輸出給雪崩信號處理模塊3，所述雪崩信號提取模塊2利用低通濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個級聯(lián)的帶阻濾波器，實現(xiàn)正弦門控信號的頻率連續(xù)可調(diào)，最后所述雪崩信號處理模塊3將輸入的所述雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

本實用新型的優(yōu)點在于，