雙極性自平衡APD單光子探測系統技術方案

本發明專利技術公開了雙極性自平衡APD單光子探測系統，其特征在于包括有雪崩光電管電路，正負雙極性偏壓產生電路，雙極性門脈沖產生電路，傳輸線變壓器電路，自差分噪聲消除電路，寬帶放大器電路，以及高速比較器電路。本發明專利技術的目的是通過采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個門脈沖絕對幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵APD的單光子雪崩，從而減低暗計數和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。

【技術實現步驟摘要】
雙極性自平衡APD單光子探測系統本專利技術涉及高靈敏高速光電探測類，具體涉及雙極性自平衡APD單光子探測系統。單光子探測技術是超靈敏光信號檢測的諸多技術之一，在物理學、化學、生物學等學科以及工程應用領域有著十分廣泛的應用，尤其是在量子保密通信中。作為量子保密通信系統中一項關鍵的技術就是在光纖通信的三個低損耗窗口即850nm、1310nm、1550nm中實現單光子探測。在通信的這三個窗口，單光子的能量都在10E-19焦耳量級，達到探測器探測靈敏度的極限。在繼續研制和開發有更高靈敏度的新型結構的光探測器的同時，研究發現和改進APD的控制驅動技術，用市場上現有的APD也能實現單光子探測。目前世界上成功實現的量子保密通信系統是靠改進APD控制驅動技術實現的。在單光子探測中，雪崩光電二極管APD —般是工作在所謂的“門模式”下，門模式的基本思想是APD的偏置電壓只會在有可能由光子到達的很短的一個時間內高于雪崩電壓，在其他時間偏置電壓都將低于雪崩電。在量子保密通信中，因為光路信息是已知的，即光子到達探測器的時間也是可以預測的，所以門控模式的AH)在量子保密通信系統中得到了非常廣泛的應用。但是隨著工作頻率的提高，會使得由于APD容性效應充放電帶來的尖峰噪聲大幅度增大，同時雪崩的時間減少了，降低了雪崩幅度，使得雪崩信號難以從尖峰噪聲中分辨出來。所以高速單光子探測的關鍵技術是如何從尖峰噪聲中提起微弱的雪崩信號。當單光子探測器的工作頻率到了幾十兆赫茲以上，一般提取雪崩信號的方法有兩種，一種是自平衡方法，一種是正弦濾波的方法。正弦濾波的方法加載的門脈沖為正弦信號，利用噪聲頻譜成分簡單，容易濾去的特點，直接將噪聲濾去，電路簡單。但是在濾去噪聲的同時，也濾去了雪崩信號相應的頻譜成分，破壞了雪崩信號的完整性，多次濾波不僅會降低雪崩信號的幅度，也會增大單光子探測器的時間抖動。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的測量精度，使用多次濾波的方法時間抖動太大，難以滿足測距的要求。自平衡的方法，對具體門脈沖波形無要求，主要利用尖峰噪聲的自相關性，將APD出來的響應信號分成兩路，其中一路延時一個周期，兩路響應信號相減，從而抵消尖峰噪聲。但是在平衡過程中，尖峰噪聲兩路信號的延時和幅度不易精確調節控制，噪聲的抑制比較低，約為15dB。為了提高信噪比，需提高雪崩信號的幅度，只能提高直流偏置或者門脈沖信號，但是，同時也對導致后脈沖計數和暗計數增大，不利于提高整個探測模塊的性能，難以滿足實際應用的需求。因此，有必要解決如上問題。本專利技術克服了上述技術的不足，提供了雙極性自平衡Aro單光子探測系統，來實現高速高效的單光子探測，采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個門脈沖絕對幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵APD的單光子雪崩，從而減低暗計數和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。另一方面，由正負雙極性脈沖經過APD激發出的容性噪聲分別通過長短延時線使得相鄰一個周期的信號進行消噪，由于相鄰兩周期同時發生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號進行相減后，抵消門脈沖加載在Aro上的容性噪聲，這樣雪崩信號就被很好的顯露出來。以及通過精密控制雙極性門脈沖的相對延時，也可方便地調節尖鋒噪聲的幅值，有利于進一步提升尖鋒噪聲的抑制比。相對較低的雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓，在降低單光子符合計數的超短脈沖門設計的苛刻要求同時，也提升了單光子探測器件的在各種不同運行條件下的長期穩定性。為實現上述目的，本專利技術采用了下列技術方案雙極性自平衡Aro單光子探測系統，包括有用于感應外來極弱光的雪崩光電管電路1，所述雪崩光電管電路I兩端并聯有用于提供正負雙極性高偏壓的正負雙極性偏壓產生電路2和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產生電路3，所述雪崩光電管電路I輸出端順次連接有用于隔離取樣的傳輸線變壓器電路4、用于消除信號容性噪聲的自差分噪聲消除電路5、用于信號放大的寬帶放大器電路6、以及用于雪崩鑒別的高速比較器電路7。所述雪崩光電管電路I包括有雪崩光電管D3和取樣電阻R36,所述雪崩光電管D3正極與電阻R36 —端連接,所述雪崩光電管D3負極與取樣電阻R36另一端作為雪崩光電管電路I偏壓信號與門脈沖信號匯合輸入端、其與正負雙極性偏壓產生電路2輸出端、雙極性門脈沖產生電路3輸出端連接，所述取樣電阻R36兩端作為雪崩光電管電路I信號輸出端與傳輸線變壓器電路4連接。所述正負雙極性偏壓產生電路2為可提供正負雙極性高壓的外部可控電源。所述雙極性門脈沖產生電路3包括有順次連接的時鐘脈沖發生器30、微分電路31、用于在特定的比較閾值情況下輸出正負雙極性脈沖的高速比較器電路32、用于對比較后輸出的兩路脈沖的寬度進行壓縮的脈沖壓縮電路33、用于對兩路壓宿后脈沖的幅度進行放大的放大器電路34、以及用于將脈沖的基準電平鉗位在零點位的鉗位電路35，經過鉗位電路35鉗位后的正負兩路門脈沖加載在雪崩光電管電路I兩端。所述自差分噪聲消除電路5包括有用于將輸入信號分成相同兩束信號的功分器50和用于容性噪聲抵消的合束器53,所述功分器50兩輸出端與合束器53兩輸入端之間對應連接有互相相差一個時鐘周期的第一延時線51和第二延時線52。所述寬帶放大器電路6采用寬帶放大器THS3201。所述高速比較器電路7采用比較器ADCMP572。本專利技術的有益效果是I、利用正負雙極性的門脈沖替代傳統的單極性門脈沖，配合正負雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，降低對門脈沖的要求，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵APD的單光子雪崩，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。2、用正負雙極性門脈沖去代替傳統的單門脈沖模式，雙極性門加載在雪崩光電管上可以等效為一個幅度為兩個門幅度的絕對值疊加，從而能輕松的獲得高幅度的門脈沖，并且在在探測效率基本不變的情況下所需的直流偏置會更低，這就能很好的抑制暗計數率和后脈沖概率，使得探測器的性能進一步提聞。3、通過精確調節雙極輸出信號之間的延時和相對寬度，可以使得等效后的門脈沖具有更加平緩的上升沿，從而令APD響應的尖峰噪聲相對減小，在抑制比相同的條件下，提高信噪比。4、由正負雙極性脈沖經過APD激發出的容性噪聲分別通過長短延時線使得相鄰一個周期的信號進行消噪，由于相鄰兩周期同時發生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號進行相減后，抵消門脈沖加載在Aro上的容性噪聲，這樣雪崩信號就被很好的顯露出來。5、雪崩光電二極管雙極性偏壓門的脈沖幅度以及相關的雙極性直流偏壓分別精確可調，調控差分自平衡的控制精度，從而提高探測器的信噪比。6、雪崩光電二極管雙極性偏壓脈沖的工作重復頻率可根據特定應用需要從低頻到高頻進行調諧，適用于多種實際應用。圖I是本專利技術的系統結構方框圖。圖2是本專利技術的雙極性脈沖產生原理圖。圖3是本專利技術的雪崩信號提取原理圖。圖4是本專利技術的雙極性門脈沖產生電路電路圖。圖5是本專利技術的雪崩信號提取電路電路圖。下面結合附圖與本專利技術的實施方式作進一步詳細的描述 如圖I所示，雙極性自平衡APD單光子探測系統，其特征在于包括有用于感本文檔來自技高網...

【技術保護點】
雙極性自平衡APD單光子探測系統，其特征在于包括有用于感應外來極弱光的雪崩光電管電路（1），所述雪崩光電管電路（1）兩端并聯有用于提供正負雙極性高偏壓的正負雙極性偏壓產生電路（2）和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產生電路（3），所述雪崩光電管電路（1）輸出端順次連接有用于隔離取樣的傳輸線變壓器電路（4）、用于消除信號容性噪聲的自差分噪聲消除電路（5）、用于信號放大的寬帶放大器電路（6）、以及用于雪崩鑒別的高速比較器電路（7）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁崇智，曾和平，梁焰，
申請(專利權)人：廣東漢唐量子光電科技有限公司，
類型：發明
國別省市：