專利名稱：吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子保密通信和微弱紅外光探測等領(lǐng)域，為一種紅外單光子探測器。
背景技術(shù)：
單光子探測技術(shù)在很多領(lǐng)域，如光時域反射計、光纖通信、量子密鑰分配(QKD)、熒 光和拉曼光譜學(xué)等已成為一項很普及的技術(shù)。傳統(tǒng)上，光電倍增管(PMT)可應(yīng)用于單光 子探測，它具有低的暗計數(shù)和極高的時間分辨率，但是它對波長超過1微米的光的探測效 率很低(小于1%)，這使得它在紅外測量領(lǐng)域幾乎沒有實用價值。硅雪崩光電二極管(雪 崩光電二極管簡稱APD)也可作為單光子探測的核心器件，在400nm至900nm波段具有很 好的性能，成品的暗計數(shù)小于25cps，同時量子效率可達(dá)到70%，但是硅材料的帶隙寬度 決定了它對波長超過1微米的光幾乎不響應(yīng)。對于光通信窗口 1300nm和1550nm的單光子 探測，早先報道過基于鍺APD的單光子探測實驗，為了得到較低的暗計數(shù)，鍺APD必須被 冷卻至77K，在這個溫度下，鍺材料的截止波長移到1450nm，這時它在1550nm窗口也基 本沒有響應(yīng)。為降低紅外單光子探測的暗計數(shù)，有人考慮采用光膠法研制一種混合型的 APD，其中以銦鎵砷作為吸收層，而硅作為倍增層，但是，到目前為止，這種器件的性能 還未達(dá)到可實用的水平。近年來，基于超導(dǎo)材料的紅外單光子探測成為研究的一個熱點， 原因是相對于傳統(tǒng)的基于APD的紅外單光子探測器，超導(dǎo)紅外單光子探測器具有極低的暗 計數(shù)和極高的計數(shù)率，性能上有著較大的優(yōu)勢，但是，由于超導(dǎo)紅外單光子探測器需要極 低的工作溫度(約4K)，因此很難獲得廣泛的應(yīng)用。
目前，大多數(shù)通訊波段的紅外單光子探測仍然采用銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管 (InGaAs/InP APD)作為光敏感元件，將其使用在反偏電壓高于其雪崩電壓的所謂的蓋革模 式(Geiger mode)下工作。在該模式下，APD在單光子的觸發(fā)下發(fā)生"自持雪崩"，APD 可產(chǎn)生足夠大的增益，以保證單光子信號可以被后續(xù)電路檢測到。當(dāng)發(fā)生"自持雪崩"后， 需要在下一個光子到達(dá)APD前淬滅該雪崩過程，以確保APD能有效接收下一個光子。淬滅 雪崩過程的方法有三種無源淬滅、有源淬滅和門控模式。無源和有源淬滅方法可使APD 測量未知時刻到來的光信號。但如果事先可以確定光子到達(dá)APD的時間，則可以采用門控 模式，與前兩種方法相比，該模式可以得到更高的探測效率和更小的暗計數(shù)，而且特別適 合量子通信技術(shù)的需求。
3當(dāng)APD工作在蓋革模式下，由于APD結(jié)電容的微分效應(yīng)，門脈沖通過APD后會產(chǎn)生幅
度很大的尖峰噪聲，而單光子雪崩信號正好夾在正反向的尖峰噪聲之間，并且信號幅度小 于尖峰噪聲的幅度，因此如何提取單光子雪崩信號非常關(guān)鍵。
對于InGaAs/InPAPD，其材料中存在的缺陷會成為載流子的俘獲中心。當(dāng)單光子通過 APD的雪崩效應(yīng)激發(fā)出大量的載流子后，部分的載流子會被這些俘獲中心俘獲，然后經(jīng)過 一段時間后被釋放。如果此時APD具備自持雪崩條件，那么這些被釋放的載流子也會產(chǎn)生 雪崩信號，這種現(xiàn)象稱為后脈沖效應(yīng)。顯然，后脈沖效應(yīng)必須被抑制。如果兩次單光子探 測的時間間隔大于fe量級，就可有效的抑制后脈沖效應(yīng)，但是這會限制單光子探測的門 控重復(fù)頻率， 一般在MHz量級。為了提高單光子探測的重復(fù)頻率，例如達(dá)到GHz量級，可 以減小InGaAs/InP APD的雪崩增益，使被俘獲的載流子數(shù)目減少，以減小后脈沖效應(yīng)發(fā) 生的幾率。但是這樣單光子雪崩信號就會十分微弱，難以有效探測，而由APD結(jié)電容產(chǎn)生 的尖峰噪聲卻沒有明顯減小，因此提取單光子雪崩信號變得更加困難。于是尖峰噪聲抑制 技術(shù)在高速紅外單光子探測中變得更為關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種吉赫茲(GHz)脈沖門控低通濾波紅外單光子 探測器，可以有效抑制尖峰噪聲對雪崩信號的干擾，提高雪崩信號的檢測靈敏度，因而可 用于GHz高速紅外單光子探測。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，包括脈沖門控功率源，銦鎵砷銦磷雪崩 光電二極管電路，直流電壓偏置電路，低通濾波器，高速寬帶放大器，超高速比較器和計 數(shù)器，其中
脈沖門控功率源的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的門控輸入端相連，直流 電壓偏置電路的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的直流電壓偏置端相連，銦鎵砷 銦磷雪崩光電二極管電路的輸出端與低通濾波器的輸入端相連，低通濾波器的輸出端與高 速寬帶放大器的輸入端相連，高速寬帶放大器的輸出端與超高速比較器的輸入端相連，超 高速比較器的輸出端與計數(shù)器的輸入端相連。
所述的吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器中
以脈沖門控功率源輸出的重復(fù)頻率為GHz的脈沖信號作為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管
電路的門控信號，同時以截止頻率低于門控信號頻率的低通濾波器對由銦鎵砷銦磷雪崩光 電二極管電路中的銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管的結(jié)電容微分效應(yīng)引起的尖峰噪聲信號進(jìn)行低通濾波。
本發(fā)明的積極效果是(1)單光子探測器工作速度高，重復(fù)頻率大于1GHZ。 (2)脈沖
門控窄，可小于100ps，有效減少暗計數(shù)。(3)低通濾波器對門控干擾信號抑制效果好， 可優(yōu)于100dB，有效提高檢測靈敏度，有利于減小探測器的后脈沖效應(yīng)，有效提高探測器 的探測效率。(4)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。


圖l為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的基本原理由于InGaAs/InPAPD的結(jié)電容微分效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰噪聲會對微弱 的雪崩光電信號產(chǎn)生極其嚴(yán)重的千擾，如何有效抑制尖峰噪聲是GHz單光子探測器的關(guān)鍵 技術(shù)。對于GHz的脈沖門控信號，其能量主要分布在基頻及其倍頻分量上。門控信號經(jīng)過 InGaAs/InP APD的結(jié)電容后產(chǎn)生的尖峰噪聲，其能量仍然主要分布在門控基頻和倍頻上， 而且在倍頻分量上能量進(jìn)一步相應(yīng)增加。對于理想電路的GHz門控電路來說，其脈沖門控 干擾信號能量分布均等于或者高于其基頻。對于已有的InGaAs/InP APD，其響應(yīng)時間為 ns量級，雪崩光電信號的能量分布主要集中在lGHz以下。對于GHz脈沖門控紅外單光子 探測器，其尖峰噪聲能量主要集中在GHz以上，而雪崩光電信號能量則主要集中在GHz以 下，所以使用截止頻率在lGHz左右的低通濾波器，可以有效濾除尖峰噪聲，提高光電信 號的檢測靈敏度，從而提高探測效率。對于GHz脈沖門控信號，減小其脈沖寬度，還可以 有效減小單光子探測器的暗計數(shù)。
如圖1所示，吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，包括脈沖門控功率源l， 銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2，直流電壓偏置電路3，低通濾波器4，高速寬帶放大器 5，超高速比較器6和計數(shù)器7，其中
脈沖門控功率源1的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2的門控輸入端相連， 直流電壓偏置電路3的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2的直流電壓偏置端相 連，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2的輸出端與低通濾波器4的輸入端相連，低通濾波 器4的輸出端與高速寬帶放大器5的輸入端相連，高速寬帶放大器5的輸出端與超高速比 較器6的輸入端相連，超高速比較器6的輸出端與計數(shù)器7的輸入端相連。
所述的吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器中
5以脈沖門控功率源1輸出的重復(fù)頻率為GHz的脈沖信號作為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極 管電路2的門控信號，同時以截止頻率低于門控信號頻率的低通濾波器4對由銦鎵砷銦磷 雪崩光電二極管電路2中的銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9的結(jié)電容微分效應(yīng)引起的尖峰噪
聲信號進(jìn)行低通濾波。
脈沖門控功率源1給銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2提供脈沖門控信號，其輸出幅 度為5 10Vp-p，輸出脈沖寬度為100 800ps，脈沖的上升時間和下降時間為6(T80ps，脈 沖延時可調(diào)范圍為10 1000ps，重復(fù)頻率高于lGHz。
如圖2所示，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2由銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9、輸 入匹配電阻Rl、輸入耦合電容Cl、限流保護(hù)電阻R2、輸出匹配電阻R3和輸出耦合電容 C2組成，并放置于溫度控制屏蔽盒8中。
脈沖門控功率源1輸出的GHz脈沖門控信號經(jīng)輸入匹配電阻Rl連接電源地端，同時 經(jīng)輸入耦合電容C1連接銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9的負(fù)端。
直流電壓偏置電路3輸出的直流偏置電壓的正端經(jīng)限流保護(hù)電阻R2與銦鎵砷銦磷雪 崩光電二極管9的負(fù)端相連。
銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9的正端經(jīng)輸出匹配電阻R3連接電源地端，同時經(jīng)輸出 耦合電容C2輸出雪崩光電信號。
溫度控制屏蔽盒8由金屬腔體屏蔽盒構(gòu)成，用來抑制外界電磁波干擾。溫度控制范圍 為-5(TC到-3(TC，溫度穩(wěn)定性為土O. rC，保證銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路在恒定的 低溫下工作。
直流電壓偏置電路3為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2提供高壓反偏信號，輸出電 壓為4(T50V。輸出電壓通過數(shù)字接口進(jìn)行控制，最小分辨率為4mV,溫度穩(wěn)定性優(yōu)于lmV/ 。C。
低通濾波器4為多級LC無源微波低通濾波器，截止頻率比門控信號頻率低約10%，插 入損耗小于6dB，帶外衰減大于80dB。
高速寬帶放大器5的帶寬為100MHz到3GHz的反相放大器，增益大于30dB，最大輸出 功率為10dBm。
超高速比較器6用于甄別雪崩光電信號，其最高翻轉(zhuǎn)頻率為5GHz，甄別電平在 -10 -1000mV范圍內(nèi)可調(diào)，其輸出為TTL電平或NIM電平，脈沖寬度為10ns。 計數(shù)器7對超高速比較器的輸出信號進(jìn)行計數(shù)。
具體實施例的工作過程如下當(dāng)紅外單光子源發(fā)出的光子被工作在蓋革模式下的銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9吸收時，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9的光電雪崩效應(yīng)將產(chǎn)生單 光子雪崩信號。由于現(xiàn)有的InGaAs/InP APD的響應(yīng)時間為ns量級，因此該雪崩光電信號 的能量分布主要集中在lGHz以下。LC無源微波低通濾波器4對結(jié)電容效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰噪 聲進(jìn)行有效抑制，從而對雪崩光電信號進(jìn)行有效提純。雪崩光電信號經(jīng)高速寬帶放大器5 放大后通過高速比較器6進(jìn)行電平比較，然后由計數(shù)器7對超高速比較器的輸出信號進(jìn)行 計數(shù)。
本發(fā)明采用的部分電路型號如下脈沖門控功率源l由美國安捷倫公司的81133A型 號脈沖碼型發(fā)生器和美國皮秒公司的5865型號的12.5GHz寬帶功率放大器組成，輸出脈 沖重復(fù)頻率1.6GHz，脈寬200ps，幅度6.2Vp-p。
直流電壓偏置電路3由臺灣固緯電子公司的GPD-3303D型號程控電源組成，輸出電壓 44. 9V。
銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路2的銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9采用美國JDSU公 司的ETX40型號InGaAs/InP APD，帶寬最小1. 6GHz，雪崩電壓46. 2V。
半導(dǎo)體制冷的溫度控制屏蔽盒8使得銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的工作溫度為 -35±0. rc。
低通濾波器4為2X 15級LC無源微波低通濾波器，ldB轉(zhuǎn)折頻率1. 45GHz，插入損耗 小于5dB， 1. 6GHz處衰減為103dB。
高速寬帶放大器5為帶寬為100MHz-3GHz的反相放大器，增益大于30dB，帶內(nèi)平坦度 優(yōu)于10dB，最大輸出電平為10dBm。
超高速比較器6采用美國ORTEC公司的9307型號超高速比較器，輸入脈沖的最小脈 寬為400ps，甄別電平為-200mV。
計數(shù)器7采用美國ORTEC公司的9308型號計數(shù)器，具有時間統(tǒng)計分析功能。
權(quán)利要求
1、吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，包括脈沖門控功率源(1)，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)，直流電壓偏置電路(3)，低通濾波器(4)，高速寬帶放大器(5)，超高速比較器(6)和計數(shù)器(7)，其特征在于脈沖門控功率源(1)的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)的門控輸入端相連，直流電壓偏置電路(3)的輸出端與銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)的直流電壓偏置端相連，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)的輸出端與低通濾波器(4)的輸入端相連，低通濾波器(4)的輸出端與高速寬帶放大器(5)的輸入端相連，高速寬帶放大器(5)的輸出端與超高速比較器(6)的輸入端相連，超高速比較器(6)的輸出端與計數(shù)器(7)的輸入端相連。
2、 如權(quán)利要求l所述的吉赫茲脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器，其特征在于 以脈沖門控功率源(1)輸出的重復(fù)頻率為吉赫茲的脈沖信號作為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)的門控信號，同時以截止頻率低于門控信號頻率的低通濾波器(4)對 由銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路(2)中的銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管(9)的結(jié)電容微 分效應(yīng)引起的尖峰噪聲信號進(jìn)行低通濾波。
全文摘要
本發(fā)明涉及量子保密通信和微弱紅外光探測等領(lǐng)域，為一種脈沖門控低通濾波紅外單光子探測器。包括脈沖門控功率源，銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路，直流電壓偏置電路，低通濾波器，高速寬帶放大器，超高速比較器和計數(shù)器，以脈沖門控功率源輸出的吉赫茲(GHz)脈沖信號作為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的門控信號，以低通濾波器對銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管的結(jié)電容微分效應(yīng)引起的尖峰噪聲信號進(jìn)行低通濾波。克服了現(xiàn)有技術(shù)中尖峰噪聲的干擾問題，提高雪崩信號的檢測靈敏度，因而可用于GHz高速紅外單光子探測。
文檔編號G01J11/00GK101650228SQ200910145018
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者何德勇, 云 劉, 軍 徐, 趙義博, 趙天鵬, 郭光燦, 韓正甫 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司