專利名稱：雙極性自平衡apd單光子探測系統(tǒng)的制作方法
雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)本發(fā)明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(tǒng)。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，尤其是在量子保密通信中。作為量子保密通信系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)就是在光纖通信的三個(gè)低損耗窗口即850nm、1310nm、1550nm中實(shí)現(xiàn)單光子探測。在通信的這三個(gè)窗口，單光子的能量都在10E-19焦耳量級，達(dá)到探測器探測靈敏度的極限。在繼續(xù)研制和開發(fā)有更高靈敏度的新型結(jié)構(gòu)的光探測器的同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)APD的控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用市場上現(xiàn)有的APD也能實(shí)現(xiàn)單光子探測。目前世界上成功實(shí)現(xiàn)的量子保密通信系統(tǒng)是靠改進(jìn)APD控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(huì)在有可能由光子到達(dá)的很短的一個(gè)時(shí)間內(nèi)高于雪崩電壓，在其他時(shí)間偏置電壓都將低于雪崩電。在量子保密通信中，因?yàn)楣饴沸畔⑹且阎模垂庾拥竭_(dá)探測器的時(shí)間也是可以預(yù)測的，所以門控模式的AH)在量子保密通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是隨著工作頻率的提高，會(huì)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(shí)雪崩的時(shí)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(diǎn)，直接將噪聲濾去，電路簡單。但是在濾去噪聲的同時(shí)，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(huì)降低雪崩信號的幅度，也會(huì)增大單光子探測器的時(shí)間抖動(dòng)。在激光測距中，單光子探測器的時(shí)間抖動(dòng)程度直接決定了整套的測量精度，使用多次濾波的方法時(shí)間抖動(dòng)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(guān)性，將APD出來的響應(yīng)信號分成兩路，其中一路延時(shí)一個(gè)周期，兩路響應(yīng)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(shí)和幅度不易精確調(diào)節(jié)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(shí)也對導(dǎo)致后脈沖計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)增大，不利于提高整個(gè)探測模塊的性能，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，有必要解決如上問題。本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了雙極性自平衡Aro單光子探測系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)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(lì)雪崩光電二極管，并對正負(fù)兩部分雪崩信號進(jìn)行探測，正負(fù)門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個(gè)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(lì)A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計(jì)數(shù)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(fù)雙極性脈沖經(jīng)過APD激發(fā)出的容性噪聲分別通過長短延時(shí)線使得相鄰一個(gè)周期的信號進(jìn)行消噪，由于相鄰兩周期同時(shí)發(fā)生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號進(jìn)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(shí)，也可方便地調(diào)節(jié)尖鋒噪聲的幅值，有利于進(jìn)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(jì)數(shù)的超短脈沖門設(shè)計(jì)的苛刻要求同時(shí)，也提升了單光子探測器件的在各種不同運(yùn)行條件下的長期穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案雙極性自平衡Aro單光子探測系統(tǒng)，包括有用于感應(yīng)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(lián)有用于提供正負(fù)雙極性高偏壓的正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路2和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產(chǎn)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(fù)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(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路2輸出端、雙極性門脈沖產(chǎn)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(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路2為可提供正負(fù)雙極性高壓的外部可控電源。所述雙極性門脈沖產(chǎn)生電路3包括有順次連接的時(shí)鐘脈沖發(fā)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(fù)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(jìn)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(jìn)行放大的放大器電路34、以及用于將脈沖的基準(zhǔn)電平鉗位在零點(diǎn)位的鉗位電路35，經(jīng)過鉗位電路35鉗位后的正負(fù)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(yīng)連接有互相相差一個(gè)時(shí)鐘周期的第一延時(shí)線51和第二延時(shí)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。本發(fā)明的有益效果是I、利用正負(fù)雙極性的門脈沖替代傳統(tǒng)的單極性門脈沖，配合正負(fù)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(lì)A(yù)PD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(fù)雙極性門脈沖去代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(gè)幅度為兩個(gè)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(huì)更低，這就能很好的抑制暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率，使得探測器的性能進(jìn)一步提聞。3、通過精確調(diào)節(jié)雙極輸出信號之間的延時(shí)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A(yù)PD響應(yīng)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(fù)雙極性脈沖經(jīng)過APD激發(fā)出的容性噪聲分別通過長短延時(shí)線使得相鄰一個(gè)周期的信號進(jìn)行消噪，由于相鄰兩周期同時(shí)發(fā)生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號進(jìn)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(guān)的雙極性直流偏壓分別精確可調(diào)，調(diào)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(fù)頻率可根據(jù)特定應(yīng)用需要從低頻到高頻進(jìn)行調(diào)諧，適用于多種實(shí)際應(yīng)用。圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。圖2是本發(fā)明的雙極性脈沖產(chǎn)生原理圖。圖3是本發(fā)明的雪崩信號提取原理圖。圖4是本發(fā)明的雙極性門脈沖產(chǎn)生電路電路圖。圖5是本發(fā)明的雪崩信號提取電路電路圖。下面結(jié)合附圖
與本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述 如圖I所示，雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于包括有用于感應(yīng)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(lián)有用于提供正負(fù)雙極性高偏壓的正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路2和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產(chǎn)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。本發(fā)明的核心思想就是雪崩信號提取采用自差分平衡模塊，可以實(shí)現(xiàn)高速門模式下雪崩信號的有效提取，同時(shí)自差分門模塊對門脈沖波形不特殊要求，適用范圍廣。但是在平衡過程中，尖峰噪聲兩路信號的延時(shí)和幅度不易精確調(diào)節(jié)控制，噪聲的抑制比約為15dB。為了提高信噪比，需提高直流偏置或者門脈沖信號，但是，同時(shí)也對導(dǎo)致后脈沖計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)增大，不利于提高整個(gè)探測模塊的性能。故本發(fā)明采用雙極性自平衡的方法，即加載在APD上的門脈沖和直流偏置均為雙極性的。如圖2所示為本發(fā)明的雙極性脈沖產(chǎn)生原理圖，所述雙極性門脈沖產(chǎn)生電路3包括有順次連接的時(shí)鐘脈沖發(fā)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(fù)雙極性脈沖的高速比較器電路32、用于對脈沖寬度進(jìn)行壓縮的脈沖壓縮電路33、用于對脈沖幅度進(jìn)行放大的放大器電路34、以及用于將脈沖的基準(zhǔn)電平鉗位在零點(diǎn)位的鉗位電路35。如圖4是本發(fā)明的雙極性門脈沖產(chǎn)生電路電路圖，其中，時(shí)鐘脈沖發(fā)生器30時(shí)鐘信號通過C2和RlO組成的微分電路31形成微分信號再進(jìn)入高速比較器AD96685BR的正相輸入端，其反相輸入端由外部提供的精準(zhǔn)電壓作為比較閾值，可以由電阻分壓獲得，也可以由電壓源提供，比較器輸出的脈沖寬度就是由比較閾值決定。比較器有兩相輸出Q和Q，為對稱的、正負(fù)相反的脈沖，它們分別通過兩個(gè)相同的脈沖壓縮電路，其中一路由電阻R2、R3、R4、R5，固定電容Cl和可調(diào)電容C9組成，另一路由電阻R12、R13、R15、R16，固定電容C5和可調(diào)電容ClO組成。壓縮后的兩路脈沖再分別通過放大電路提高其幅度，其中一路由寬帶放大器AD8009和電阻Rl、R6、R7組成，另一路由另一個(gè)寬帶放大器AD8009和電阻R9、Rl7、R18組成，最終輸出A、B兩路窄脈沖，然后，A、B兩路雙極性門脈沖經(jīng)過由肖特基二極管D1、D2和電容C8、C6組成的鉗位電路，將其基準(zhǔn)電平鉗制在零點(diǎn)位。如上所述，輸入的時(shí)鐘信號經(jīng)過微分電路31微分之后進(jìn)入高速比較器，在特定的比較閾值情況下高速比較器就輸出了正負(fù)雙極性窄脈沖，再通過脈沖壓縮電路和放大器形成了具有一定幅度的超窄脈沖，通過精確調(diào)節(jié)雙極輸出信號之間的延時(shí)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A(yù)PD響應(yīng)的尖峰噪聲相對減小，在抑制比相同的條件下，提高信噪比。圖3是本發(fā)明的雪崩信號提取原理圖，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(yīng)連接有互相相差一個(gè)時(shí)鐘周期的第一延時(shí)線51和第二延時(shí)線52。如上所述，由正負(fù)雙極性脈沖經(jīng)過APD激發(fā)出的容性噪聲分別通過長短延時(shí)線使得相鄰一個(gè)周期的信號進(jìn)行消噪，再經(jīng)放大并送到高速比較器進(jìn)行雪崩鑒別，最后得到最終的雪崩信號輸出。如圖5所示為本發(fā)明的雪崩信號提取電路電路圖，VCC和VEE是由外部可控電源提供的正負(fù)雙極性高壓，他們分別通過限流電阻R21和R41與兩門脈沖匯合，共同加載在雪崩光電二極管APD兩端，R36是取樣電阻，用于將APD產(chǎn)生的雪崩電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，然后通過I 1傳輸線變壓器將信號傳輸?shù)胶蠹墸儆晒Ψ制?0將其等功率分為相同的兩束信號，分別通過相差一個(gè)時(shí)鐘周期的兩路延時(shí)線進(jìn)行合束，由于相鄰兩周期同時(shí)發(fā)生雪崩的概率幾乎為零，因而相鄰兩周期的信號進(jìn)行相減后，理想狀態(tài)下能完全抵消門脈沖加載在APD上的容性噪聲，這樣雪崩信號就能被提取出來了。消除噪聲后的雪崩信號再通過放大器THS3201放大后通過比較器ADCMP572，就能將殘余的噪聲徹底去除干凈，從而得到高效的單光子計(jì)數(shù)。如上所述，本發(fā)明保護(hù)的是一種高速高效的單光子探測技術(shù)和APD激勵(lì)模塊，該模塊摒棄了傳統(tǒng)的單極性偏壓的雪崩模式，采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵(lì)雪崩光電二極管，并對正負(fù)兩部分雪崩信號進(jìn)行探測，正負(fù)門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個(gè)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(lì)A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計(jì)數(shù)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。一切與本發(fā)明結(jié)構(gòu)相同以及是本發(fā)明具體電路的等同變換的技術(shù)方案都認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.雙極性自平衡Aro單光子探測系統(tǒng)，其特征在于包括有用于感應(yīng)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(lián)有用于提供正負(fù)雙極性高偏壓的正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路(2)和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產(chǎn)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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于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極與電阻R36 —端連接，所述雪崩光電管D3負(fù)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(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路(2 )輸出端、雙極性門脈沖產(chǎn)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路(2)為可提供正負(fù)雙極性高壓的外部可控電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述雙極性門脈沖產(chǎn)生電路(3 )包括有順次連接的時(shí)鐘脈沖發(fā)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(fù)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(jìn)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(jìn)行放大的放大器電路(34)、以及用于將脈沖的基準(zhǔn)電平鉗位在零點(diǎn)位的鉗位電路(35)，經(jīng)過鉗位電路(35)鉗位后的正負(fù)兩路門脈沖加載在雪崩光電管電路(I)兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于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(yīng)連接有互相相差一個(gè)時(shí)鐘周期的第一延時(shí)線(51)和第二延時(shí)線(52)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述寬帶放大器電路(6)采用寬帶放大器THS3201。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述高速比較器電路(7 )采用比較器ADCMP572。
全文摘要
本發(fā)明公開了雙極性自平衡APD單光子探測系統(tǒng)，其特征在于包括有雪崩光電管電路，正負(fù)雙極性偏壓產(chǎn)生電路，雙極性門脈沖產(chǎn)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(fā)明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(lì)雪崩光電二極管，并對正負(fù)兩部分雪崩信號進(jìn)行探測，正負(fù)門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個(gè)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(lì)A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計(jì)數(shù)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。
文檔編號G01J11/00GK102980669SQ20121048074
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 梁焰 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司