專利名稱：一種雙極性偏壓的單光子探測裝置的制作方法
技術領域：
一種雙極性偏壓的單光子探測裝置[技術領域][0001]本實用新型涉及單光子靈敏探測技術，具體涉及一種利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性偏壓實現(xiàn)高速單光子探測的裝置。[背景技術][0002]單光子探測技術是超靈敏光信號檢測的諸多技術之一，在物理學、化學、生物學等學科以及工程應用領域有著十分廣泛的應用。近年來，隨著量子信息科學的興起以及超靈敏光譜學的發(fā)展，單光子探測器技術在其中扮演著越來越重要的作用。[0003]在眾多波段的單光子探測技術中，近紅外單光子探測技術由于其應用的廣泛性和重要性引起了更多的關注，尤其是在具有重要應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；同時近紅外單光子探測器在激光測距，靈敏紅外光譜檢測方面也有著重要的應用。因此如何提高單光子探測器的工作頻率、量子效率、降低探測器的噪聲成為現(xiàn)階段眾多學科和領域的熱門課題。[0004]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，在這種模式中，APD的偏置電壓只會在有可能由光子到達的很短的一個時間內高于雪崩電壓，在其他時間偏置電壓都將低于雪崩電壓。由于APD只有在有可能有光子到達的時候才會處于工作狀態(tài)，因此在其他時間APD的增益系數比較低，產生的噪聲信號很低，也不會因為噪聲信號導致AH)處于“死狀態(tài)”而不能探測真正的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因為光路信息是已知的，即光子到達探測器的時間也是可以預測的，所以“門模式”的APD在量子保密通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應用。[0005]相對于傳統(tǒng)的被動抑制和主動抑制電路，“門模式”有著顯著的優(yōu)點。在被動抑制電路中，對雪崩電流的釋放是通過串聯(lián)一個電阻來完成的。APD的恢復時間由APD的分布電容和串聯(lián)電阻的大小決定，通常情況下，串聯(lián)電阻的大小都在數十千歐姆量級，使得恢復時間較長，因此，采用被動抑制電路的單光子探測速率較低。[0006]而在主動抑制的電路中，利用雪崩信號的上升沿作為觸發(fā)信號，在一次雪崩產生之后，迅速做出反應，形成一個電壓脈沖，將APD的陰極電壓拉低，使得雪崩在很短的時間內得到抑制。由于采用了迅速關斷的方式，主動抑制電路克服了被動抑制電路恢復時間長的缺點，而且雪崩時間短，后脈沖概率較低。但是由于沒有光子時，Aro仍處于蓋格模式，使得主動抑制電路下暗計數相對于后面介紹的門脈沖模式較高。主動抑制電路通常用于連續(xù)探測模式的單光子探測。[0007]因此，有必要解決如上問題。[實用新型內容][0008]本實用新型克服了上述技術的不足，提供了一種高速高效的單光子探測技術和Aro激勵模塊，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雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個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APD的單光子雪崩，從而減低暗計數和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。[0009]另一方面，正負門脈沖偏壓加置于APD上也有利于方便地控制APD結電容的容性噪聲，采用電容平衡抑制的方法消除尖鋒噪聲的影響，能實現(xiàn)單光子探測的高重復頻率運行，而雙極性直流偏壓有利于降低直流電壓的紋波的影響，提高單光子雪崩電流與尖鋒噪聲抑制后的信噪比，特別有利于改善高速單光子探測的工作特性。[0010]以及通過精密控制雙極性門脈沖的相對延時，也可方便地調節(jié)尖鋒噪聲的幅值，有利于進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數的超短脈沖門設計的苛刻要求同時，也提升了單光子探測器件的在各種不同運行條件下的長期穩(wěn)定性。[0011]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了下列技術方案:[0012]一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，包括有用于感應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)有用于提供正負雙極性高偏壓的正負雙極性偏壓產生電路2和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產生電路3，所述雪崩光電管電路I包括有串聯(lián)連接的雪崩光電管D3和取樣電阻R36，所述取樣電阻R36兩端連接有并聯(lián)有用于取樣隔離輸出的第一傳輸線變壓器電路41，所述雪崩光電管電路I兩端并聯(lián)有經過容性噪聲模擬后再取樣輸出的第二傳輸線變壓器電路42，所述第一傳輸線變壓器電路41輸出端與第二傳輸線變壓器電路42輸出端分別與用于噪聲抵消的差分運放器5連接，所述差分運放器5輸出端連接有用于雪崩鑒別的高速比較器電路6。[0013]所述正負雙極性偏壓產生電路2為可提供正負雙極性高壓的外部可控電源。[0014]所述雙極性門脈沖產生電路3包括有順次連接的時鐘脈沖發(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分別進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行放大的放大器電路34、以及用于將脈沖的基準電平鉗位在零點位的鉗位電路35，經過鉗位電路35鉗位后的正負兩路門脈沖加載在雪崩光電管電路I兩端。[0015]所述第一傳輸線變壓器電路41包括有傳輸線變壓器T2和電阻R37，所述傳輸線變壓器T2初級繞組并聯(lián)在電阻R36兩端，所述電阻R37并聯(lián)在傳輸線變壓器T2次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器5 —輸入端連接。[0016]所述第二傳輸線變壓器電路42包括有用于噪聲模擬的可調電容C19、電阻R26、傳輸線變壓器Tl、以及電阻R27，所述可調電容C19與電阻R26串聯(lián)連接后并聯(lián)在雪崩光電管電路I兩端，所述傳輸線變壓器Tl初級繞組并聯(lián)在電阻R26兩端，所述電阻R24并聯(lián)在傳輸線變壓器Tl次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器5另一輸入端連接。[0017]所述差分運放器5采用的型號是AD8351。[0018]所述高速比較器電路6采用高速比較器AD96685BR。[0019]本實用新型的有益效果是:[0020]1、利用正負雙極性的門脈沖替代傳統(tǒng)的單極性門脈沖，配合正負雙極性的直流偏壓，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APD的單光子雪崩，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。[0021 ] 2、用正負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幅度為兩個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更低，這就能很好的抑制暗計數率和后脈沖概率，使得探測器的性能進一步提聞。[0022]3、相對較低的雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓，有利于提升單光子探測器件在各種不同運行條件下的長期穩(wěn)定性。[0023]4、通過精確調節(jié)正負兩脈沖之間的延時和相對寬度，可以使得等效后的門脈沖具有更加平緩的上升沿，從而令APD響應的容性噪聲相對減小，降低后級噪聲平衡電路的難度，提高平衡效果。[0024]5、雙極性偏壓驅動雪崩光電二極管，與脈沖同時加載在用于模擬APD容性特性的可調電容上，其產生的容性噪聲與Aro產生的非常相似，兩信號同時進入差分運算放大器，APD的容性噪聲就和可調電容產生的模擬噪聲相互抵消，雪崩信號就被很好的顯露出來。[0025]6、經由電容平衡抑制，單光子探測的重復工作頻率可自由調諧。[0026]7、利用雙極性門脈沖偏壓控制APD結電容噪聲，有利于提升尖鋒噪聲的抑制比。[
][0027]圖1是本實用新型系統(tǒng)結構原理圖。[0028]圖2是本實用新型的正負雙極性脈沖等效為一個幅度更高的門脈沖示意圖。[0029]圖3是本實用新型優(yōu)化調節(jié)正負脈沖延時與寬度。[0030]圖4是本實用新型雙極性脈沖產生原理圖。[0031]圖5是本實用新型雙極性門脈沖產生電路電路圖。[0032]圖6是本實用新型雪崩信號提取電路電路圖。[具體實施方式
][0033]
以下結合附圖與本實用新型的實施方式作進一步詳細的描述:[0034]如圖1所示，一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，包括有用于感應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)有用于提供正負雙極性高偏壓的正負雙極性偏壓產生電路2和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產生電路3，所述雪崩光電管電路I包括有串聯(lián)連接的雪崩光電管D3和取樣電阻R36，所述取樣電阻R36兩端連接有并聯(lián)有用于取樣隔離輸出的第一傳輸線變壓器電路41，所述雪崩光電管電路I兩端并聯(lián)有經過容性噪聲模擬后再取樣輸出的第二傳輸線變壓器電路42，所述第一傳輸線變壓器電路41輸出端與第二傳輸線變壓器電路42輸出端分別與用于噪聲抵消的差分運放器5連接，所述差分運放器5輸出端連接有用于雪崩鑒別的高速比較器電路6。[0035]本實用新型所述正負雙極性偏壓產生電路2為可提供正負雙極性高壓的外部可控電源。[0036]如圖2所示，本實用新型的核心思想就是用正負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幅度為兩個門幅度的絕對值疊力口，從而能輕松的獲得高幅度的門脈沖，在探測效率基本不變的情況下所需的直流偏置會更低，這就能很好的抑制暗計數率和后脈沖概率，使得探測器的性能進一步提高。[0037]如圖3所示，通過精確調節(jié)正負兩脈沖之間的延時和相對寬度，可以使得等效后的門脈沖具有更加平緩的上升沿，從而令APD響應的容性噪聲相對減小，降低后級噪聲平衡電路的難度，提高平衡效果。[0038]如圖4所示為雙極性脈沖產生原理圖，雙極性門脈沖產生電路3包括有順次連接的時鐘脈沖發(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行放大的放大器電路34、以及用于將脈沖的基準電平鉗位在零點位的鉗位電路35。[0039]如圖5是雙極性門脈沖產生電路電路圖，其中，時鐘脈沖發(fā)生器30的時鐘信號通過C2和RlO組成的微分電路31形成微分信號再進入高速比較器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0，為對稱的、正負相反的脈沖，它們分別通過兩個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和可調電容C9組成，另一路由電阻R12、R13、R15、R16，固定電容C5和可調電容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，另一路由另一個寬帶放大器AD8009和電阻R9、R17、R18組成。最終輸出A、B兩路窄脈沖。[0040]然后，A、B兩路雙極性門脈沖經過由肖特基二極管Dl、D2和電容CS、C6組成的鉗位電路35，將其基準電平鉗制在零點位。[0041]如圖6所示為本實用新型雪崩信號提取電路電路圖，VCC和VEE是由外部提供的正負雙極性高壓，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。[0042]R36是取樣電阻，用于將APD產生的雪崩電流轉變?yōu)殡妷海龅谝粋鬏斁€變壓器電路41包括有傳輸線變壓器T2和電阻R37，所述傳輸線變壓器T2初級繞組并聯(lián)在電阻R36兩端，所述電阻R37并聯(lián)在傳輸線變壓器T2次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器5 —輸入端連接,將信號傳輸到差分運放器5。[0043]所述第二傳輸線變壓器電路42包括有用于噪聲模擬的可調電容C19、電阻R26、傳輸線變壓器Tl、以及電阻R27，所述可調電容C19與電阻R26串聯(lián)連接后并聯(lián)在雪崩光電管電路I兩端，所述傳輸線變壓器Tl初級繞組并聯(lián)在電阻R26兩端，所述電阻R24并聯(lián)在傳輸線變壓器Tl次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器5另一輸入端連接。[0044]如上所述，雙極性高壓與脈沖同時也加載在用于模擬Aro容性特性的可調電容C19上，其產生的容性噪聲與APD產生的非常相似，兩信號同時進入差分運算放大器AD8351。[0045]這樣一來，APD的容性噪聲就和可調電容C19產生的模擬噪聲相互抵消，雪崩信號就被很好的顯露出來，夾雜著少量噪聲的雪崩信號再通過高速比較器AD96685進行鑒別，從而得到高效的單光子計數。[0046]如上所述，本實用新型保護的是一種高速高效的單光子探測技術和Aro激勵模塊，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雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個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APD的單光子雪崩，從而減低暗計數和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。一切與本實用新型結構相同以及是本實用新型具體電路的等同變換的技術方案都認為落入本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于包括有用于感應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)有用于提供正負雙極性高偏壓的正負雙極性偏壓產生電路(2)和用于提供雙極性門脈沖的雙極性門脈沖產生電路(3)，所述雪崩光電管電路(I)包括有串聯(lián)連接的雪崩光電管D3和取樣電阻R36，所述取樣電阻R36兩端連接有并聯(lián)有用于取樣隔離輸出的第一傳輸線變壓器電路(41)，所述雪崩光電管電路(I)兩端并聯(lián)有經過容性噪聲模擬后再取樣輸出的第二傳輸線變壓器電路(42)，所述第一傳輸線變壓器電路(41)輸出端與第二傳輸線變壓器電路(42)輸出端分別與用于噪聲抵消的差分運放器(5)連接，所述差分運放器(5)輸出端連接有用于雪崩鑒別的高速比較器電路(6)。
2.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述正負雙極性偏壓產生電路(2)為可提供正負雙極性高壓的外部可控電源。
3.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述雙極性門脈沖產生電路(3 )包括有順次連接的時鐘脈沖發(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分別進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行放大的放大器電路(34)、以及用于將脈沖的基準電平鉗位在零點位的鉗位電路(35)，經過鉗位電路(35)鉗位后的正負兩路門脈沖加載在雪崩光電管電路(I)兩端。
4.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述第一傳輸線變壓器電路(41)包括有傳輸線變壓器T2和電阻R37，所述傳輸線變壓器T2初級繞組并聯(lián)在電阻R36兩端，所述電阻R37并聯(lián)在傳輸線變壓器T2次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器(5) —輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述第二傳輸線變壓器電路(42)包括有用于噪聲模擬的可調電容C19、電阻R26、傳輸線變壓器Tl、以及電阻R27，所述可調電容C19與電阻R26串聯(lián)連接后并聯(lián)在雪崩光電管電路(I)兩端，所述傳輸線變壓器Tl初級繞組并聯(lián)在電阻R26兩端，所述電阻R24并聯(lián)在傳輸線變壓器Tl次級繞組兩端后其一端接地，另一端與差分運放器(5)另一輸入端連接。
6.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述差分運放器(5)采用的型號是AD8351。
7.根據權利要求1所述的一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，其特征在于所述高速比較器電路(6 )采用高速比較器AD96685BR。
專利摘要本實用新型公開了一種雙極性偏壓的單光子探測裝置，包括有雪崩光電管電路，正負雙極性偏壓產生電路，雙極性門脈沖產生電路，第一傳輸線變壓器電路，第二傳輸線變壓器電路，差分運放器，以及用于雪崩鑒別的高速比較器電路。本實用新型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雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個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APD的單光子雪崩，從而減低暗計數和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。
文檔編號G01J11/00GK202974453SQ20122062548
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司