專利名稱：光脈沖同步的高時間分辨率低噪聲單光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域中的高速量子保密通信的探測器，尤其是一種 光脈沖同步的高時間分辨率低噪聲單光子探測器。
背景技術(shù)：
由于量子保密通信能夠提供更為安全的通信渠道，因此在國防、軍事、政治、金融 等通信領(lǐng)域都具有重要的意義，歐洲和美日等發(fā)達國家都在不斷的進行量子保密通信實用 化的探索，瑞士甚至還利用量子保密通信來幫助大選的投票安全。我國也同樣重視量子通信的實用化，將其列為重點科研項目進行研究。量子保 密通信系統(tǒng)中一項關(guān)鍵的技術(shù)就是在光纖通信的三個紅外通信波段(即850nm、1310nm、 1550nm)中實現(xiàn)單光子探測。在通信的這三個波段，單光子的能量都在10-19E焦耳的量級， 達到探測器探測靈敏度的極限值。20世紀90年代，國外已經(jīng)有公司利用硅雪崩二極管開發(fā) 出了可在850nm波段工作的商用單光子探測器。近些年來，各國采用銦鎵砷雪崩光電二極 管APD對1310nm和1550nm波段單光子探測器的研究也日漸成熟。在單光子探測中，雪崩二極管(APD) —般需要工作在蓋革模式下，即加在APD兩端 的反偏電壓高于其雪崩電壓。在該模式下，APD在單光子的觸發(fā)下發(fā)生雪崩，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)生雪崩后，需要在下一個光子 信號到達APD前淬滅該雪崩過程，以確保APD能有效探測下一個光子信號。由于APD的反 偏電壓高于其雪崩電壓是發(fā)生雪崩和雪崩持續(xù)的必要條件，因此只要將APD的反偏電壓降 低至其雪崩電壓以下即可有效淬滅雪崩。實現(xiàn)這個過程有三種方法無源抑制，有源抑制和 門脈沖模式。無源抑制和有源抑制盡管可使APD測量到光子的光信號，但無法確定光子到 達APD的時間。而用門脈沖模式檢測單光子的光信號特別適合量子通信的需求，因此，最近 數(shù)年內(nèi)，幾乎所有的通訊波段的單光子探測器都采用此模式工作。采用門脈沖模式抑制雪 崩的基本原理為在APD兩端加上一個恒定的直流電壓VA，該電壓小于APD的雪崩電壓VB， 然后將一幅度為Vg、寬度為Tg的門脈沖疊加到W上，并滿足Vg+ Va_> VB，這樣，APD只會在 門脈沖的時間Tg內(nèi)發(fā)生雪崩，而在其他時間因偏壓低于雪崩電壓而不會產(chǎn)生雪崩，這樣可 以更有效的降低暗計數(shù)和提高光子計數(shù)率。由于門脈沖模式的方案一般都是采用提高偏置電壓，提高雪崩幅度進行比較的方 法，存在的問題是該方法無法控制單光子探測的時間抖動，且實施電路模塊復(fù)雜，信噪比 不高，而且后脈沖影響較大。由于采用電信號實施同步控制，時間抖動較大，在測距應(yīng)用中， 無法提供具有高時間分辨率的精確定位，一定程度上降低了有效的光子計數(shù)率。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種光脈沖同步的高時間分 辨率低噪聲單光子探測器，該探測器改變了傳統(tǒng)的門脈沖信號模式，采用光延時器及光電 轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)化為高斯電信號作為門脈沖信號，減小了雪崩二極管APD由電容效應(yīng)而引發(fā)的噪聲、卻不改變雪崩信號的大小，從而提高了信噪比，采用光延時器對光脈沖實施 同步控制，使信號同步準確，減少了時間抖動，提高了時間分辨率。實現(xiàn)本實用新型目的的具體技術(shù)方案是一種光脈沖同步的高時間分辨率低噪聲單光子探測器，特點在于它包括光脈沖發(fā) 生器、光纖耦合器、光衰減器、光延時器、光電轉(zhuǎn)換模塊、門脈沖放大模塊及信號提取模塊， 所述光延時器及光電轉(zhuǎn)換模塊為一個或兩個；光電轉(zhuǎn)換模塊由光電二極管及第一放大器組 成，光電二極管上設(shè)有第一光信號輸入端，第一放大器上設(shè)有第一電信號輸出端；所述門脈 沖放大模塊由雪崩二極管、第二放大器及電容電路組成，雪崩二極管上設(shè)有第二光信號輸 入端，電容電路上設(shè)有一個或兩個第二電信號輸入端，第二放大器上設(shè)有第二電信號輸出 端；所述光脈沖發(fā)生器連接于光纖耦合器，光纖耦合器分為兩路或者三路；分兩路時一路連接光衰減器，光衰減器連接門脈沖放大模塊的第二光信號輸入 端；另一路連接光延時器，光延時器連接光電轉(zhuǎn)換模塊的第一光信號輸入端，光電轉(zhuǎn)換模塊 的第一電信號輸出端連接門脈沖放大模塊的一個第二電信號輸入端，門脈沖放大模塊的第 二電信號輸出端連接信號提取模塊；分三路時此時光延時器及光電轉(zhuǎn)換模塊為兩個，光纖耦合器一路連接光衰減器， 光衰減器連接門脈沖放大模塊的第二光信號輸入端；另一路連接一個光延時器，該光延時 器連接光電轉(zhuǎn)換模塊的第一光信號輸入端，光電轉(zhuǎn)換模塊的第一電信號輸出端連接門脈沖 放大模塊的第二電信號輸入端；又一路連接另一個光延時器，該光延時器連接另一個光電 轉(zhuǎn)換模塊的第一光信號輸入端，該光電轉(zhuǎn)換模塊的第一電信號輸出端連接門脈沖放大模塊 的另一個第二電信號輸入端，門脈沖放大模塊的第二電信號輸出端連接信號提取模塊。本實用新型改變了傳統(tǒng)的門脈沖信號模式，采用光延時器及光電轉(zhuǎn)換模塊將光信 號轉(zhuǎn)化為高斯電信號作為門脈沖信號，減小了雪崩二極管APD由電容效應(yīng)而引發(fā)的噪聲、 卻不改變雪崩信號的大小，從而提高了信噪比，采用光延時器對光脈沖實施同步控制，使信 號同步準確，減少了時間抖動，提高了時間分辨率。
圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)框圖圖2為本實用新型實施例2的結(jié)構(gòu)框圖圖3為本實用新型實施例3的結(jié)構(gòu)框圖具體實施方式
參閱圖1，本實用新型包括光脈沖發(fā)生器1、光纖耦合器2、光衰減器3、光延時器4、 光電轉(zhuǎn)換模塊5、門脈沖放大模塊6及信號提取模塊7，所述光電轉(zhuǎn)換模塊5由光電二極管 PIN及第一放大器AMP組成、光電二極管PIN上設(shè)有第一光信號輸入端51、第一放大器AMP 上設(shè)有第一電信號輸出端52，所述門脈沖放大模塊6由雪崩二極管APD、第二放大器AMP及 電容電路組成，雪崩二極管APD上設(shè)有第二光信號輸入端61，電容電路上設(shè)有第二電信號 輸入端63，第二放大器AMP上設(shè)有第二電信號輸出端62 ；所述光脈沖發(fā)生器1連接于光纖 耦合器2，光纖耦合器2分為兩路，一路連接于光衰減器3，光衰減器3連接于門脈沖放大模 塊6的第二光信號輸入端61，光纖耦合器2的另一路連接光延時器4，光延時器4連接于光電轉(zhuǎn)換模塊5的第一光信號輸入端51、光電轉(zhuǎn)換模塊5的第一電信號輸出端52連接于門脈 沖放大模塊6的第二電信號輸入端63、門脈沖放大模塊6的第二電信號輸出端62連接信號 提取模塊7。本實用新型的工作原理是將光脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號分成兩路，一路通過 光電二極管PIN將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，作為門脈沖信號加載在雪崩二極管APD上；一路經(jīng) 過光衰減器將光信號入射到雪崩二極管APD上；通過光延時器進行同步，再通過第二放大 器AMP的第二電信號輸出端輸出雪崩計數(shù)，由信號提取模塊提取，實現(xiàn)單光子探測。實施例1參閱圖1，本實施例是將單個高斯門信號加載到雪崩二極管APD上。將光脈沖發(fā)生器1發(fā)出光脈沖信號、經(jīng)光纖耦合器2分為兩路，一路經(jīng)光衰減器3 進行衰減后作為入射光由門脈沖放大模塊6的第二光信號輸入端61入射到雪崩二極管APD 上；另一路經(jīng)過光延時器4控制光信號的延時，將延時后的光信號由光電轉(zhuǎn)換模塊5的第一 光信號輸入端51入射到光電二極管PIN上，使其產(chǎn)生一個上升沿和下降沿都比較緩慢的高 斯門脈沖電信號，再經(jīng)過第一放大器AMP對電信號進行放大，通過門脈沖放大模塊6第二電 信號輸入端63的電容電路與光信號同時加載到雪崩二極管APD上，雪崩信號經(jīng)過第二放大 器AMP放大后由第二電信號輸出端62經(jīng)信號提取模塊7提取，甄別雪崩信號，實現(xiàn)單光子 探測。實施例2參閱圖2，本實施例采用再激發(fā)光作為入射光。由光脈沖信號通過再激發(fā)其他物質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)光，例如可發(fā)射光、熒光及散射光作 為入射光，由門脈沖放大模塊6的第二光信號輸入端61入射到雪崩二極管APD上，具體過 程如下光脈沖發(fā)生器1發(fā)出光脈沖信號、經(jīng)光纖耦合器2分為兩路，一路通過發(fā)光體31 產(chǎn)生激發(fā)光，經(jīng)光衰減器3進行衰減后作為入射光由門脈沖放大模塊6的第二光信號輸入 端61入射到雪崩二極管APD上；另一路經(jīng)過光延時器4控制光信號的延時，將延時后的光 信號由光電轉(zhuǎn)換模塊5的第一光信號輸入端51入射到光電二極管PIN上，使其產(chǎn)生一個 上升沿和下降沿都比較緩慢的高斯門脈沖電信號，再經(jīng)過第一放大器AMP對電信號進行放 大，通過門脈沖放大模塊6第二電信號輸入端63的電容電路與光信號同時加載到雪崩二極 管APD上，雪崩信號經(jīng)過第二放大器AMP放大后由第二電信號輸出端62經(jīng)信號提取模塊7 提取，甄別雪崩信號，實現(xiàn)單光子探測。實施例3參閱圖3，本實施例是將正負相反的兩個高斯門信號同時加載到雪崩二極管APD 上，這樣可以大幅提高高斯門脈沖的幅度，可保證在相同探測效率的時候降低直流高壓，減 小暗計數(shù)。具體過程如下光脈沖發(fā)生器1發(fā)出光脈沖信號、經(jīng)光纖耦合器2分為三路一路經(jīng)光衰減器3進 行衰減后作為入射光由門脈沖放大模塊6的第二光信號輸入端61入射到雪崩二極管APD 上；另一路經(jīng)過光延時器4控制光信號的延時，將延時后的光信號由光電轉(zhuǎn)換模塊5的第一 光信號輸入端51入射到光電二極管PIN上，使其產(chǎn)生一個上升沿和下降沿都比較緩慢的高 斯門脈沖電信號，再經(jīng)過第一放大器AMP對電信號進行放大，通過門脈沖放大模塊6第二電信號輸入端63的電容電路與光信號同時加載到雪崩二極管APD上；又一路光延時器4'控 制光信號的延時，將延時后的光信號由光電轉(zhuǎn)換模塊5'的第一光信號輸入端51'入射到 光電二極管PIN上，使其產(chǎn)生一個上升沿和下降沿都比較緩慢的高斯門脈沖電信號，再經(jīng) 過第一放大器AMP對電信號進行放大，通過門脈沖放大模塊6第二電信號輸入端63'的電 容電路與光信號同時加載到雪崩二極管APD上；雪崩信號經(jīng)過第二放大器AMP放大后由第 二電信號輸出端62經(jīng)信號提取模塊7提取，甄別雪崩信號，實現(xiàn)單光子探測。
權(quán)利要求1. 一種光脈沖同步的高時間分辨率低噪聲單光子探測器，其特征在于它包括光脈沖發(fā) 生器(1)、光纖耦合器O)、光衰減器(3)、光延時器G)、光電轉(zhuǎn)換模塊(5)、門脈沖放大模 塊(6)及信號提取模塊(7)，所述光延時器(4)及光電轉(zhuǎn)換模塊( 為一個或兩個；光電轉(zhuǎn) 換模塊(5)由光電二極管(PIN)及第一放大器(AMP)組成，光電二極管(PIN)上設(shè)有第一 光信號輸入端(51)，第一放大器(AMP)上設(shè)有第一電信號輸出端(5 ；所述門脈沖放大模 塊(6)由雪崩二極管(APD)、第二放大器(AMP)及電容電路組成，雪崩二極管(APD)上設(shè)有 第二光信號輸入端(61)，電容電路上設(shè)有一個或兩個第二電信號輸入端(6 或(63')，第 二放大器(AMP)上設(shè)有第二電信號輸出端(6 ；所述光脈沖發(fā)生器(1)連接于光纖耦合器 O)，光纖耦合器( 分為兩路或者三路；分兩路一路連接光衰減器(3)，光衰減器C3)連接門脈沖放大模塊(6)的第二光信號 輸入端(61)；另一路連接光延時器G)，光延時器(4)連接光電轉(zhuǎn)換模塊( 的第一光信號 輸入端(51)，光電轉(zhuǎn)換模塊(5)的第一電信號輸出端(5 連接門脈沖放大模塊(6)的第 二電信號輸入端(6 ，門脈沖放大模塊(6)的第二電信號輸出端(6 連接信號提取模塊 (7)；分三路一路連接光衰減器(3)，光衰減器C3)連接門脈沖放大模塊(6)的第二光信號 輸入端(61)；另一路連接光延時器G)，光延時器(4)連接光電轉(zhuǎn)換模塊(5)的第一光信 號輸入端(51)，光電轉(zhuǎn)換模塊(5)的第一電信號輸出端(5 連接門脈沖放大模塊(6)的 第二電信號輸入端(6 ；又一路連接光延時器)，光延時器)連接光電轉(zhuǎn)換模塊 (5')的第一光信號輸入端(51')，光電轉(zhuǎn)換模塊(5')的第一電信號輸出端(52')連 接門脈沖放大模塊(6)的第二電信號輸入端(63')，門脈沖放大模塊(6)的第二電信號輸 出端(6 連接信號提取模塊(7)。
專利摘要本實用新型公開了一種光脈沖同步的高時間分辨率低噪聲單光子探測器，它包括光脈沖發(fā)生器、光纖耦合器、光衰減器、光延時器、光電轉(zhuǎn)換模塊、門脈沖放大模塊及信號提取模塊，所述光脈沖發(fā)生器連接于光纖耦合器并分為兩路，一路連接于光衰減器至門脈沖放大模塊的光信號輸入端，另一路連接光延時器至光電轉(zhuǎn)換模塊的光信號輸入端、光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接于門脈沖放大模塊的電信號輸入端、門脈沖放大模塊的電信號輸出端連接信號提取模塊。本實用新型采用光延時器及光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)化為高斯電信號作為門脈沖信號，減小了雪崩二極管APD由電容效應(yīng)而引發(fā)的噪聲，從而提高了信噪比。
文檔編號G01J11/00GK201828343SQ201020544488
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者曾和平, 梁焰 申請人:南通墨禾量子科技發(fā)展有限公司