專利名稱：一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域中的量子保密通信和微弱紅外光探測領(lǐng)域，具體涉及一種低時間抖動低噪的吉赫茲高速近紅外單光子探測方法。
背景技術(shù)：
單光子探測技術(shù)是超靈敏光信號檢測的諸多技術(shù)之一，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科以及工程應(yīng)用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著量子信息科學(xué)的興起以及超靈敏光譜學(xué)的發(fā)展，單光子探測器技術(shù)在其中扮演著越來越重要的作用。在眾多波段的單光子探測技術(shù)中，近紅外單光子探測技術(shù)由于其應(yīng)用的廣泛性和重要性引起了更多的關(guān)注，尤其是在具有重要應(yīng)用價值的量子保密通信系統(tǒng)中，通信波段的近紅外單光子探測器作為核心器件，直接決定了系統(tǒng)的通信距離、成碼率和誤碼率?，F(xiàn)在廣為使用的通信系統(tǒng)和加密方式，原則上都可以被竊聽，存在安全隱患。量子保密通信系統(tǒng)是一種以單光子或者糾纏光子對作為信息載體的絕對安全的保密通信系統(tǒng)。當(dāng)信源與信宿之間用單光子傳輸信息時，由于長距離光纖信道中的損耗，會損失大量攜帶信息的單光子， 為了實現(xiàn)實用化的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，探測器需要有較高的探測效率、較低的暗計數(shù)率(即信噪比高)和較高的工作頻率(提高成碼率)。近年來，國內(nèi)外對單光子探測的研究不斷深入，各個研究小組都提出了實用化的探測方案，商用化的單光子探測器也日漸成熟。瑞士日內(nèi)瓦的Id quantique公司開發(fā)的 ID200系列產(chǎn)品是第一套成熟的穩(wěn)定的基于InGaAsAnP雪崩光電二極管(APD)單光子探測器，隨后國內(nèi)華東師范大學(xué)的研究小組和美國I^rinceton Lightwave公司也分別推出了自己的研究成果SPD3和PGA-600，為單光子探測器的大家庭增添了新的成員。這些探測器的信噪比高，工作穩(wěn)定，在實用性和指標(biāo)上各有千秋，唯一的不足是工作頻率較低，最高的工作頻率僅為8MHz，隨著量子保密通信系統(tǒng)高速化方向的發(fā)展，這些產(chǎn)品已經(jīng)很難滿足現(xiàn)今的需求，高速的探測器的研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫。單光子探測器一般工作門模式下，工作頻率的提高，會使得由于APD容性效應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)是如何從尖峰噪聲中提起微弱的雪崩信號。當(dāng)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，一種是使用濾波的方法。自平衡的方法利用尖峰噪聲的自相關(guān)性，將APD出來的響應(yīng)信號分成兩路，其中一路延時一個周期，兩路響應(yīng)信號相減，從而抵消尖峰噪聲。平衡過程中雪崩信號也分成了兩路，降低了雪崩幅度，不利于提高探測器的信噪比。濾波的方法則利用噪聲頻譜成分簡單，容易濾去的特點(diǎn)，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(yīng)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法利用低通濾波和平衡電路相結(jié)合的方式除去尖峰噪聲，提取雪崩信號，獲得較高的探測效率，并且控制時間抖動在幾十皮秒內(nèi)。本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號，然后將雪崩電信號提取出來轉(zhuǎn)成數(shù)字信號輸出，該方法的電路連接中至少包括信號探測電路，用于將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號；噪聲抑制電路，連接信號探測電路，并將所述雪崩信號從尖峰噪聲中提取出來；信號處理電路，將提取出來的雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，其特征在于所述噪聲抑制電路采用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極管上，雪崩光電二極管的響應(yīng)輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然后將另一路正弦信號衰減到與經(jīng)過低通濾波器的雪崩光電二極管響應(yīng)信號的幅度相同，送入平衡電路與經(jīng)過低通濾波的雪崩光電二極管響應(yīng)信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號。其特征在于，所述雪崩光電二極管工作在吉赫茲的正弦門模式下。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，用低通濾波器與平衡電路相結(jié)合的方法，極大的提高了單光子探測器的信噪比，減少了時間抖動，與傳統(tǒng)的正弦門相比，本發(fā)明減少了濾波器的使用， 在保證尖峰噪聲抑制比的情況下，最大限度的保持了雪崩信號的幅度和完整性，減少了時間抖動，同時，與傳統(tǒng)的自平衡相比，最后平衡時雪崩信號沒有被分成兩路，保持了雪崩幅度，提高了信噪比。
附圖概述
附

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)框圖； 附圖2為本發(fā)明實施例模擬電路原理圖。具體技術(shù)方案
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
本發(fā)明采用吉赫茲(GHz)的正弦信號作為門信號加載在APD上，其重復(fù)頻率為ω，經(jīng)過 APD后的門信號的頻譜成分僅出現(xiàn)在ω、2ω、3ω等ω的整數(shù)倍上，同時雪崩信號的頻譜成分大部分在GHz以下，故通過使用一個截止頻率為ω的低通濾波器即可將噪聲濾去提取雪崩信號。但是只用一個低通濾波器，尖峰噪聲的抑制比不夠，使用更多的低通濾波器，會提高抑制比，但是雪崩信號也會被衰減更多。由于經(jīng)過低通濾波器的尖峰噪聲信號幾乎是重復(fù)頻率為ω的正弦信號，與門信號相似，因此本發(fā)明將門信號分成兩路，其中一路的幅度衰減到與經(jīng)過低通濾波器的尖峰噪聲的幅度相同，送入平衡電路，提取雪崩信號。提取出來的雪崩信號經(jīng)過放大，比較，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，緩沖后送入計數(shù)器，進(jìn)行計數(shù)。實施例如圖1-2所示，標(biāo)號1-13分別表示探測電路1、噪聲抑制電路2、信號處理電路3、移相器4、射頻放大器5、低通濾波器6、射頻放大器7、比較器8、可調(diào)衰減器9、功率分束器10、正弦信號發(fā)生器11、高功率放大器12、帶通濾波器13。
如圖1所示，探測電路通過APD將單光子信號轉(zhuǎn)換成電信號。轉(zhuǎn)換的電信號中，雪崩信號湮沒在由于APD的容性效應(yīng)帶來的尖峰噪聲里，通過噪聲抑制電路將雪崩信號提取出來。噪聲抑制電路由低通濾波器和平衡電路組成，信號先通過低通濾波器再與衰減后的正弦信號平衡，除去噪聲，提取雪崩信號。最后將提取出來的雪崩信號經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸出計數(shù)。本實施例的具體模擬電路原理如圖2所示。正弦信號發(fā)生器11產(chǎn)生重復(fù)頻率為 ω的正弦信號，通過功率分束器10分成兩等份。其中一份正弦信號經(jīng)過高功率放大器12 放大，通過一個帶通濾波器13后作為門脈沖加載在APD上。正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號幅度有限，經(jīng)過一個高功率放大器12后，正弦信號的幅度調(diào)節(jié)范圍更大，能夠完全滿足探測器最佳工作點(diǎn)所需的門脈沖幅度。經(jīng)過高功率放大器12后，會產(chǎn)生其他頻率的旁路噪聲和諧振噪聲，通過一個中心頻率為ω的帶通濾波器13濾去。調(diào)節(jié)APD兩端的偏置電壓使其工作在雪崩模式下，將光信號轉(zhuǎn)化成雪崩信號。APD輸出的雪崩信號湮沒在尖峰噪聲里，通過一個截止頻率為ω的低通濾波器2濾去尖峰噪聲。過濾后的APD輸出信號輸入功率合束器3進(jìn)行平衡。平衡電路的參考信號為衰減后的正弦信號，通過可調(diào)衰減器9使其幅度與過濾后的尖峰噪聲相同，通過移相器4使二者的相位相差1 8 0°。經(jīng)過功率合束器3后，尖峰噪聲基本上被減少到熱噪聲水平，可以忽略不計，雪崩信號提取出來。經(jīng)過兩個射頻放大器5、7進(jìn)行放大后的雪崩信號經(jīng)過比較器8后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過緩沖后即可送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，實現(xiàn)單光子探測。兩個射頻放大器5、7之間加入一個截止頻率為 2 ω的低通濾波器6可以避免這兩個放大器5、7之間的串?dāng)_，影響信號。本發(fā)明由信號探測電路1、噪聲抑制電路2、信號處理電路3構(gòu)成。其中信號探測電路1將用APD將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成為雪崩電信號送入噪聲抑制電路2，噪聲抑制電路2抑制尖峰噪聲，提取雪崩信號，最后提取出來的雪崩信號進(jìn)入信號處理電路3，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行計數(shù)。由于APD的容性效應(yīng)，在將光信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號的同時，也會產(chǎn)生尖峰噪聲。通過使用一個低通濾波器2即可將噪聲濾去提取雪崩信號。但是只用一個低通濾波器2，尖峰噪聲的抑制比不夠，所以將正弦門信號分成兩路，其中一路的幅度衰減到與經(jīng)過低通濾波的尖峰噪聲的幅度相同，然后送入平衡電路與經(jīng)過低通濾波的尖峰噪聲平衡，提取雪崩信號。信號處理電路由信號放大、比較、緩沖、計數(shù)四部分構(gòu)成，雪崩信號經(jīng)過放大之后進(jìn)入比較器8，由比較器8出來的信號經(jīng)過緩沖之后進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號，然后將雪崩電信號提取出來轉(zhuǎn)成數(shù)字信號輸出，該方法的電路連接中至少包括信號探測電路，用于將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號；噪聲抑制電路，連接信號探測電路，并將所述雪崩信號從尖峰噪聲中提取出來；信號處理電路，將提取出來的雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，其特征在于所述噪聲抑制電路采用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極管上，雪崩光電二極管的響應(yīng)輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然后將另一路正弦信號衰減到與經(jīng)過低通濾波器的雪崩光電二極管響應(yīng)信號的幅度相同，送入平衡電路與經(jīng)過低通濾波的雪崩光電二極管響應(yīng)信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，其特征在于，所述雪崩光電二極管工作在吉赫茲的正弦門模式下。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域中的量子保密通信和微弱紅外光探測領(lǐng)域，具體涉及一種低時間抖動低噪的吉赫茲高速近紅外單光子探測方法，該方法涉及的控制電路由信號探測電路、噪聲抑制電路、信號處理電路組成，所述噪聲抑制電路采用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極管上，雪崩光電二極管的響應(yīng)輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然后將另一路正弦信號衰減到與經(jīng)過低通濾波器的雪崩光電二極管響應(yīng)信號的幅度相同，送入平衡電路與經(jīng)過低通濾波的雪崩光電二極管響應(yīng)信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號，該方法利用低通濾波和平衡電路相結(jié)合的方式除去尖峰噪聲，提取雪崩信號，獲得較高的探測效率，并且控制時間抖動在幾十皮秒內(nèi)。
文檔編號G01J11/00GK102230828SQ201110086580
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者任旻, 吳光, 曾和平, 梁焰, 武愕, 潘海峰, 簡軼, 陳修亮 申請人:華東師范大學(xué)