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
技術領域：
本實用新型涉及量子保密通信和微弱紅外光探測等領域，為一種紅外單光子探測 器。
背景技術：
單光子探測技術在很多領域，如光時域反射計、光纖通信、量子密鑰分配(QKD)、熒 光和拉曼光譜學等已成為一項很普及的技術。傳統(tǒng)上，光電倍增管(PMT)可應用于單光子 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，同時量子效率可達到70%，但是硅材料的帶隙寬度決定了 它對波長超過l微米的光幾乎不響應。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。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到可實用的水平。 近年來，基于超導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。當發(fā)生"自持雪崩"后，需要 在下一個光子到達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 信技術的需求。 當APD工作在蓋革模式下，由于APD結電容的微分效應，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鍵。 對于InGaAs/InP APD，其材料中存在的缺陷會成為載流子的俘獲中心。當單光子 通過APD的雪崩效應激發(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。顯然，后脈沖效應必須被抑制。如果兩次單光子探測的時間間隔大于P s量級，就可有效的抑制后脈沖效應，但是這會限制單光子探測的 門控重復頻率，一般在MHz量級。為了提高單光子探測的重復頻率，例如達到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 在高速紅外單光子探測中變得更為關鍵。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術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。 本實用新型所采用的技術方案如下 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電容微分效應引起的尖峰噪聲 信號進行低通濾波。 本實用新型的積極效果是(1)單光子探測器工作速度高，重復頻率大于lGHz。 (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，有效提高探測器 的探測效率。(4)結構簡單，成本低。
圖1為本實用新型電路結構方框圖。 圖2為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。 本實用新型的基本原理由于InGaAs/InP APD的結電容微分效應產(chǎn)生的尖峰噪 聲會對微弱的雪崩光電信號產(chǎn)生極其嚴重的干擾，如何有效抑制尖峰噪聲是GHz單光子探 測器的關鍵技術。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一步相應增加。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 時間為ns量級，雪崩光電信號的能量分布主要集中在1GHz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1GHz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 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 以脈沖門控功率源l輸出的重復頻率為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的結電容微分效應引起的尖 峰噪聲信號進行低通濾波。 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Cl連接銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管9的負端。 直流電壓偏置電路3輸出的直流偏置電壓的正端經(jīng)限流保護電阻R2與銦鎵砷銦 磷雪崩光電二極管9的負端相連。 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成，用來抑制外界電磁波干擾。溫度控制
范圍為-s(Tc到-301:，溫度穩(wěn)定性為士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40 50V。輸出電壓通過數(shù)字接口進行控制，最小分辨率為4mV，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于 lmV/。C。[0028] 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行計數(shù)。 具體實施例的工作過程如下當紅外單光子源發(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的光電雪崩效應將產(chǎn) 生單光子雪崩信號。由于現(xiàn)有的InGaAs/InP APD的響應時間為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對結電容效應產(chǎn)生的尖 峰噪聲進行有效抑制，從而對雪崩光電信號進行有效提純。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 進行計數(shù)。 本實用新型采用的部分電路型號如下脈沖門控功率源1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2 X 15級LC無源微波低通濾波器，ldB轉折頻率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。
權利要求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. 如權利要求1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)的結電容微分效應引起的尖峰噪聲信號進行低通濾波。
專利摘要本實用新型涉及量子保密通信和微弱紅外光探測等領域，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電容微分效應引起的尖峰噪聲信號進行低通濾波?？朔爽F(xiàn)有技術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G01J11/00GK201497580SQ200920187658
公開日2010年6月2日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權日2009年9月21日
發(fā)明者何德勇, 劉云, 徐軍, 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