專利名稱：一種噪聲抑制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種噪聲抑制裝置本發(fā)明涉及一種噪聲抑制裝置，屬于紅外靈敏探測和量子保密通信領(lǐng)域。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(jià)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(shí)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(yīng)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(xué)科和領(lǐng)域的熱門課題。在單光子探測中，APD (雪崩光電二極管)一般是工作在所謂的“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壓。由于APD只有在有可能有光子到達(dá)的時(shí)候才會(huì)處于工作狀態(tài)，因此在其他時(shí)間APD的增益系數(shù)比較低，產(chǎn)生的噪聲信號很低，也不會(huì)因?yàn)樵肼曅盘枌?dǎo)致APD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。但是由于AH)是容性器件，門脈沖會(huì)通過APD的結(jié)電容在取樣電阻上產(chǎn)生一個(gè)微分信號，稱之為尖峰噪聲，尖峰噪聲的幅度隨著重復(fù)頻率的提高而增大，成為掩蓋雪崩信號最主要的噪聲，如何抑制門脈沖產(chǎn)生的尖峰噪聲，提取雪崩信號是單光子探測重點(diǎn)研究的技術(shù)之一。在諸多單光子探測噪聲抑制技術(shù)中，常見的方案主要有如下幾種:1.提高Aro的偏置電壓或者門脈沖幅度，使得Aro的雪崩增益提高，產(chǎn)生的雪崩脈沖高于尖峰噪聲的幅度。這種方法最簡單最直接，但是有兩個(gè)缺點(diǎn):一是僅適用于量子效率較高的場合，二是雪崩增益的提高導(dǎo)致后脈沖噪聲的提高。2.負(fù)脈沖甄別方法，利用雪崩擊穿時(shí)雪崩脈沖電流和尖峰脈沖電流的正負(fù)抵消作用，探測輸出的負(fù)半周信號實(shí)現(xiàn)雪崩信號的甄別。這種方法對電路設(shè)計(jì)要求較高，阻抗失匹和高頻噪聲的干擾均會(huì)影響信噪比。3.平衡的方法，核心思想是生成與尖峰噪聲相類似的共模信號，通過差模網(wǎng)絡(luò)抵消共模信號，提取雪崩信號。平衡的方法是現(xiàn)今單光子探測中最普遍采用和效果最好的一種方法。電路實(shí)現(xiàn)簡單，對尖峰噪聲的抑制比高，國際上多個(gè)研究小組提出了各自不同的平衡方法，具有代表性的有:同軸電纜反射平衡方法、雙Aro平衡方法等。這些方法通常能夠?qū)PD的尖峰噪聲抑制20dB左右。由于現(xiàn)在單光子探測技術(shù)正向高重復(fù)頻率、高探測效率的方向發(fā)展，在高的重復(fù)頻率下，信噪比迅速下降，對噪聲抑制提出了更高的要求，尤其是在光子數(shù)可分辨的靈敏探測研究領(lǐng)域，現(xiàn)有的噪聲抑制方法是遠(yuǎn)不能滿足其要求的。[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，提供一種噪聲抑制裝置，該裝置能夠在高重復(fù)頻率下對雪崩光電二極管的尖峰噪聲進(jìn)行抑制，采用級聯(lián)方式提高信噪比，使得信噪比達(dá)到最優(yōu)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:一種噪聲抑制裝置，包括有用于從雪崩光電二極管APD采集信號的取樣電阻，在取樣電阻上順次級聯(lián)有多個(gè)噪聲抑制平衡模塊，每個(gè)噪聲抑制平衡模塊包括將取樣電阻米集的信號或上一級噪聲抑制平衡模塊輸出的信號分成兩路相同信號的信號分配器，在信號分配器的兩個(gè)信號輸出端分別接有兩段不同長度的第一電纜和第二電纜，信號分配器輸出的兩路信號經(jīng)過第一電纜和第二電纜后在時(shí)間上相差一個(gè)信號重復(fù)周期，所述第一電纜和第二電纜的另一端接有將第一電纜和第二電纜傳送來的兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號的減法器，該減法器的輸出端作為噪聲抑制平衡I吳塊的輸出。所述噪聲抑制平衡模塊的工作頻率范圍是IOOMHz到2.5GHz。所述雪崩光電二極管工作在飽和式蓋格模式或亞飽和的非線性增益模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:1、將從雪崩光電二極管采集的信號分成相同的兩路信號，利用了噪聲的相關(guān)性使噪聲與噪聲相減，在源頭上保證了在零度減法器兩個(gè)輸入端噪聲的高保真以獲得高抑制t匕，同時(shí)采用級聯(lián)多次進(jìn)行抑制使得裝置整體的信噪比得到很大的提高。2、本噪聲抑制裝置的噪聲抑制比很大，可輕松達(dá)到50dB。即使尖峰噪聲增大了，亦可對其進(jìn)行有效地抑制，實(shí)現(xiàn)聞效的單光子探測，這樣，可以提聞加載在APD上的門脈沖幅度，相應(yīng)地直流偏置就可以降低，有效地抑制雪崩光電二極管的后脈沖影響，最終提高單光子探測的有效飽和計(jì)數(shù)率。3、當(dāng)雪崩光電二極管工作在飽和式蓋格模式，降低單光子雪崩信號的鑒別電壓，掩埋于噪聲中的光子雪崩信號可以高信噪比地鑒別，提高本噪聲抑制裝置的量子效率。4、由于高信噪比的實(shí)現(xiàn)，通過級聯(lián)的方法，雪崩光電二極管可以在亞飽和模式下實(shí)現(xiàn)單光子的有效探測，為實(shí)現(xiàn)單光子的光子數(shù)可分辨性能提供了有力地保障。5、本噪聲抑制裝置適用于高門脈沖驅(qū)動(dòng)的尖鋒噪聲抑制，從而可以使單光子探測器工作在較高的門脈沖驅(qū)動(dòng)，降低雪崩光電二級管上的直流偏置電壓，有效地抑制雪崩光電二極管的后脈沖影響，提高單光子探測的有效飽和計(jì)數(shù)率。6、本噪聲抑制裝置的工作頻率可以根據(jù)需要調(diào)諧，調(diào)節(jié)時(shí)只需要改變延時(shí)線的長短即可，十分簡單異行。這種方案可以工作IOOMHz到2.5GHz的頻率范圍，特別適合工作在
高頻范疇。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的信號流程圖。

以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:參見圖1，公開一種噪聲抑制裝置，包括有用于從雪崩光電二極管APD采集信號的取樣電阻1，在取樣電阻I上順次級聯(lián)有多個(gè)噪聲抑制平衡模塊2，每個(gè)噪聲抑制平衡模塊2包括將取樣電阻I采集的信號或上一級噪聲抑制平衡模塊2輸出的信號分成兩路相同信號的信號分配器3,在信號分配器3的兩個(gè)信號輸出端分別接有兩段不同長度的第一電纜4和第二電纜5,信號分配器3輸出的兩路信號經(jīng)過第一電纜4和第二電纜5后在時(shí)間上相差一個(gè)信號重復(fù)周期，使得相鄰兩個(gè)周期的信號相位對齊。所述第一電纜4和第二電纜5的另一端接有將第一電纜4和第二電纜5傳送來的兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號的減法器6，減法器6采用零度減法器，其輸出端作為噪聲抑制平衡模塊2的輸出端。由于第一電纜4和第二電纜5輸給零度減法器6的信號具有相鄰兩個(gè)周期尖峰噪聲的相關(guān)性，使得相鄰的尖峰噪聲信號有著幾乎完全一樣的波形(頻譜近似相同，每一個(gè)頻率項(xiàng)的幅度和相位近似相同)，第一電纜4和第二電纜5輸送來的兩路信號在零度減法器6中相減后，噪聲能夠得到極大的抑制。采用級聯(lián)的方法使輸出的信號，再經(jīng)過多組相同結(jié)構(gòu)的噪聲抑制平衡模塊2，使噪聲進(jìn)行多次抑制，不斷提升系統(tǒng)的信噪比。所述噪聲抑制平衡模塊2的工作頻率范圍是IOOMHz到2.5GHz。所述雪崩光電二極管工作在飽和式蓋格模式或亞飽和的非線性增益模式。如圖2，取樣電阻I從雪崩光電二極管AH)采集的帶有尖峰噪聲信號的雪崩信號
a,該信號進(jìn)入第一級的噪聲抑制平衡模塊，第一級的噪聲抑制平衡模塊中的信號分配器3的一個(gè)輸出端經(jīng)過第一電纜4后輸出信號b,信號分配器3的另一個(gè)輸出端經(jīng)過第二電纜5后輸出信號c,第一電纜和第二電纜長度不同，剛好使得兩個(gè)信號b，c在時(shí)間上相差一個(gè)信號重復(fù)周期，使得相鄰兩個(gè)周期的信號相位對齊輸出給減法器6，減法器6將兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號山信號d是一個(gè)大致為“M”型的信號。由于減法器6輸出信號和尖峰噪聲具有同樣的相關(guān)性和重復(fù)性，使得這個(gè)本地噪聲信號可以再通過一個(gè)或多個(gè)同樣的噪聲抑制平衡模塊，得到多次抑制。從實(shí)際的使用效果來看，單級的噪聲抑制模塊能夠得到超過32db的噪聲抑制t匕，而有用的雪崩信號經(jīng)過一次分配和相減重構(gòu)，信號的衰減僅為6db，對比的信號比提高26db。采用多次級聯(lián)的方法，從原理上能夠無限度地提高信噪比，犧牲的僅僅為信號探測的重復(fù)頻率。實(shí)際使用中，每一次級聯(lián)得到的抑制比隨著級聯(lián)的次數(shù)下降，但是只要高于信號衰減的比例6db，那么級聯(lián)就是有意義的。采用本發(fā)明的噪聲抑制裝置，能夠輕松實(shí)現(xiàn)超過50db以上的噪聲抑制，為將來更高速的單光子探測和光子數(shù)分辨鋪平了道路。但是需要考慮的是，每次級聯(lián)可以將噪聲進(jìn)行了抑制，但是相應(yīng)的也帶來了雪崩信號的衰減，同時(shí)電路中的熱噪聲是無法通過平衡的方法來一直，故不能無限制的級聯(lián)下去。實(shí)際應(yīng)用中，通常是在保證信噪比最優(yōu)的情況下，選擇適當(dāng)?shù)募壜?lián)次數(shù)。所述雪崩光電二極管工作在門模式下，所述的級聯(lián)噪聲抑制，可以是二級級聯(lián)到多級級聯(lián)，其級聯(lián)的級次取決于其噪聲抑制程度。
權(quán)利要求1.一種噪聲抑制裝置,其特征在于包括有用于從雪崩光電二極管APD米集信號的取樣電阻(1)，在取樣電阻(I)上順次級聯(lián)有多個(gè)噪聲抑制平衡模塊(2)，每個(gè)噪聲抑制平衡模塊(2)包括將取樣電阻(I)采集的信號或上一級噪聲抑制平衡模塊(2)輸出的信號分成兩路相同信號的信號分配器(3)，在信號分配器(3)的兩個(gè)信號輸出端分別接有兩段不同長度的第一電纜(4)和第二電纜(5)，信號分配器(3)輸出的兩路信號經(jīng)過第一電纜(4)和第二電纜(5)后在時(shí)間上相差一個(gè)信號重復(fù)周期，所述第一電纜(4)和第二電纜(5)的另一端接有將第一電纜(4)和第二電纜(5)傳送來的兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號的減法器(6)，該減法器(6)的輸出端作為噪聲抑制平衡模塊(2)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噪聲抑制裝置，其特征在于所述噪聲抑制平衡模塊(2)的工作頻率范圍是IOOMHz到2.5GHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噪聲抑制裝置，其特征在于所述雪崩光電二極管工作在飽和式蓋格模式或亞飽和的非線性增益模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噪聲抑制裝置，其特征在于所述減法器(6)為零度減法器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種噪聲抑制裝置，包括有用于從雪崩光電二極管APD采集信號的取樣電阻，在取樣電阻上順次級聯(lián)有多個(gè)噪聲抑制平衡模塊，每個(gè)噪聲抑制平衡模塊包括將取樣電阻采集的信號或上一級噪聲抑制平衡模塊輸出的信號分成兩路相同信號的信號分配器，在信號分配器的兩個(gè)信號輸出端分別接有兩段不同長度的第一電纜和第二電纜，信號分配器輸出的兩路信號經(jīng)過第一電纜和第二電纜后在時(shí)間上相差一個(gè)信號重復(fù)周期，所述第一電纜和第二電纜的另一端接有將第一電纜和第二電纜傳送來的兩路信號相減抑制噪聲并輸出雪崩信號的減法器，該減法器的輸出端作為噪聲抑制平衡模塊的輸出端。該裝置能夠在高重復(fù)頻率下對雪崩光電二極管的尖峰噪聲進(jìn)行抑制，采用級聯(lián)方式提高信噪比，使得信噪比達(dá)到最優(yōu)。
文檔編號G01J11/00GK203011545SQ20122064484
公開日2013年6月19日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28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