專利名稱：頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及近紅外波段的量子保密通信和微弱光信號探測等領域，具體涉及一種速率可調諧的吉赫茲近紅外波段單光子探測器。
背景技術：
單光子探測技術可以廣泛應用于量子密鑰分配(QKD)、激光雷達(Iidar)、光纖傳感(fiber optical sensing)、光纖通信(fiber optical communication)等領域。傳統(tǒng)上可以使用光電倍增管(PMT)進行單光子探測，其時間分辨率和暗計數(shù)指標均十分優(yōu)秀，但是當波長超過I μ m時，其探測的量子效率迅速下降到1%以下，使其不適合紅外波段的應用。硅(Si)雪崩光電二極管(APD)在400nm到900nm波長具有超過70%的量子效率，但是對于光纖通信中的近紅外波段的低損耗窗口 1310nm和1550nm，硅APD幾乎沒有響應。一種解決方案是采用波長上轉換，將波長I μ m以上的光子信號轉換為I μ m以下的光子信號，再使用硅APD進行探測。但是這種方案中波長上轉換過程的效率通常不高，因此總體的量子效率受到影響。且常見的波長上轉換需要空間光器件的參與，其系統(tǒng)的復雜度較高，穩(wěn)定性不好。最近一些年，紅外波段單光子探測的研究熱點又集中到了基于超導材料的單光子探測器。這一類探測器的探測速率與暗計數(shù)性能相對于傳統(tǒng)方案均具有較大的優(yōu)勢，但是其工作溫度極低(數(shù)K)，需要龐大且昂貴的制冷設備，因此暫時還很難在實際應用中推廣。目前光纖通信波段的近紅外單光子探測主要仍采用基于銦鎵砷/銦磷(InGaAs/InP)材料的雪崩光電二極管AH)作為探測器元件。采用高于雪崩電壓的反向偏置可以使InGaAs/InP APD工作在“蓋革”模式。此時即使探測器僅接收到單個光子，也會以一定的概率觸發(fā)所謂“自持雪崩”。由于雪崩增益極大，單個光子產生的光電流會被迅速放大，產生足以被后續(xù)電路檢測到的電流脈沖。其工作溫度通常在223K附近以降低暗計數(shù)發(fā)生的概率，這可以使用半導體制冷技術實現(xiàn)。由于“自持雪崩”是一個正向反饋的過程，一旦發(fā)生就不會自行淬滅。為了保證探測器可以連續(xù)探測光子，必須在雪崩發(fā)生之后，下一光子到達之前主動淬滅雪崩過程。常見的淬滅技術包括:無源模式、有源模式以及門控模式。其中無源和有源模式無需同步光子到達的時間，因此可以測量到達時刻未知的光子信號。但是這兩種模式的淬滅過程較長，其探測速率通常小于兆赫茲。而如果能夠同步光子的到達時間，則可以采用門控模式。通過僅在光子到達時刻提升雪崩光電二極管Aro偏置電壓，可以在保證探測效率的前提下，大大提升探測速率并降低暗計數(shù)發(fā)生的概率。但是由于雪崩光電二極管Aro結電容的高通耦合特性，采用門控模式淬滅雪崩時，探測器的輸出會受到與門控信號同頻的峰狀噪聲干擾。而單光子的雪崩信號幅度相對于噪聲水平較小，如何從強干擾噪聲中提取出雪崩脈沖信號就變得十分重要。提升反向偏置電壓從而增加雪崩增益以提高雪崩信號幅度是一種常見的方案。但是InGaAs/InP APD的材料中總是存在一些缺陷。在雪崩過程中，雪崩增益激發(fā)的大量載流子會以一定的概率被這些材料缺陷捕獲，并經歷一定的時間后釋放。這些延時釋放的載流子有可能再次激發(fā)雪崩信號，產生所謂“后脈沖”效應。顯然后脈沖是一種假信號，其發(fā)生概率應被盡量抑制。延長門控信號的重復周期可以有效降低后脈沖概率，但是這就限制了探測速率。為了提高探測速率，只能夠使用較小的雪崩增益，此時雪崩信號的幅度相對于峰狀噪聲水平就變得更低，信號提取更加困難。為了抑制峰狀噪聲對雪崩信號檢測的影響，產生了一類稱為自差分的技術。這一類技術所使用的門控信號通常為周期性的方波信號，將探測器輸出的原始信號分作兩路，其中一路信號經過反向和一個門控周期的延遲后與另一路信號相加。由于峰狀噪聲具有周期性，相加的結果將抑制噪聲而保留雪崩信號。另一種常用的方法是正弦波門控技術，其門控信號為純凈的正弦波信號。由于正弦波在頻域上僅對應單一的頻率分量，因此探測器輸出的噪聲主要仍為同頻的正弦信號。傳統(tǒng)上采用選頻特性極佳的帶阻濾波器抑制這一正弦噪聲分量，取出雪崩信號。無論是自差分技術還是正弦門控技術，其探測速率是固定的，由延遲線長度或濾波器中心頻率決定。因此其探測速率的適應性不強，一旦探測器完成設計，其工作速率就是固定的，靈活性差。且由于高性能的延遲線和濾波器的幾何尺寸通常與波長相比擬，對于吉赫茲的探測器，延遲線或濾波器的尺寸均在數(shù)十厘米以上，使得整個探測器系統(tǒng)體積仍顯龐大，不利于便攜式的現(xiàn)場應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種探測頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，無需使用延遲線或帶阻濾波器等器件就可以有效抑制雪崩光電二極管APD結電容耦合的噪聲，提高探測器的靈敏度。本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:一種頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，包括正弦波門控信號發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模塊，半導體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計數(shù)器，功率探測器，相位與幅度自動鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，其中:所述正弦波門控信號發(fā)生器產生頻率為吉赫茲的正弦信號，該正弦信號經第一功率分配器分為兩路輸出信號:第一輸出信號作為InGaAs/InP APD模塊的門控信號,該門控信號加載在高壓直流偏置模塊產生的直流電壓偏置之上，用于控制雪崩光電二極管APD的工作狀態(tài)；第二路輸出信號依次經過鎖相環(huán)、壓控增益放大器后形成與InGaAs/InP ATO模塊輸出的尖峰噪聲幅度相同、相位相反的正弦信號；所述InGaAs/InP模塊的輸出信號、壓控增益放大器輸出的正弦信號分別輸入功率合成器相加后，所合成的信號依次經過低通濾波器、功率放大器后，經過第二功率分配器分為兩路輸出信號:第一路輸出信號依次經過超高速比較器、脈沖計數(shù)器得到InGaAs/InPAPD模塊所探測到的光子計數(shù)；第二路輸出信號經功率探測器輸入至相位與幅度自動鎖存模塊；相位與幅度自動鎖定模塊根據(jù)功率探測器的輸出信號幅度大小，調節(jié)鎖相環(huán)的相位延遲以及壓控增益放大器的增益，使得鎖相環(huán)和壓控增益放大器在相位與幅度自動鎖存模塊的控制下，合成與雪崩光電二極管Aro結電容耦合的正弦噪聲信號幅度相同、相位相反的同頻信號；所述半導體溫度控制模塊用于調節(jié)所述InGaAs/InP模塊的溫度。
進一步的，本發(fā)明的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，所述的InGaAs/InP ATO模塊包括輸入匹配電阻、隔直電容、限流保護電阻、去耦電容、雪崩光電二極管APD、輸出匹配電阻，帕爾貼以及熱敏電阻，其中:所述雪崩光電二極管APD、帕爾貼以及熱敏電阻被粘連在一起并使用保溫材料加以密封；雪崩光電二極管APD的門控信號經所述輸入匹配電阻接地，以保證高頻信號不出現(xiàn)反射而造成失真；所述隔直電容用于隔離門控信號和高壓直流偏置之間的直流耦合，僅允許交流的門控信號通過，并加載到雪崩光電二極管APD的陰極；所述輸出匹配電阻的一端分別連接雪崩光電二極管APD的陽極和InGaAs/InP ATO模塊的輸出端，所述輸出匹配電阻的另一端接地；高壓直流偏置模塊的直流電壓偏置通過所述限流保護電阻連接雪崩光電二極管AH)的陰極，形成高壓反向偏置；直流電壓偏置進入InGaAs/InP ATO模塊內部時，通過所述去耦電容接地，以抑制偏置輸入端口的高頻干擾。進一步的，本發(fā)明的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，所述的相位和幅度自動鎖存模塊包快模數(shù)轉換器，微控制器、數(shù)模轉換器，其中:所述功率探測器探測的電壓信號輸入經模數(shù)轉換器采樣，將模擬量電壓信號轉換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號經過微控制器利用相位和幅度自動鎖存算法計算后，得到鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓，微控制器將該最佳工作電壓信號經數(shù)模轉換器轉換為模擬控制電壓，并分別輸出給鎖相環(huán)和壓控增益放大器，使兩個器件鎖定在最佳工作狀態(tài)。進一步的，本發(fā)明的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，所述相位與幅度自動鎖定模塊根據(jù)以下方法確定鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓:將功率探測器輸出的濾波后的信號Srat表示為:
權利要求
1.一種頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，其特征在于:包括正弦波門控信號發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InP ATO模塊，半導體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計數(shù)器，功率探測器，相位與幅度自動鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，其中: 所述正弦波門控信號發(fā)生器產生頻率為吉赫茲的正弦信號，該正弦信號經第一功率分配器分為兩路輸出信號:第一輸出信號作為InGaAs/InP APD模塊的門控信號,該門控信號加載在高壓直流偏置模塊產生的直流電壓偏置之上，用于控制雪崩光電二極管APD的工作狀態(tài)；第二路輸出信號依次經過鎖相環(huán)、壓控增益放大器后形成與InGaAs/InP ATO模塊輸出的尖峰噪聲幅度相同、相位相反的正弦信號； 所述InGaAs/InP模塊的輸出信號、壓控增益放大器輸出的正弦信號分別輸入功率合成器相加后，所合成的信號依次經過低通濾波器、功率放大器后，經過第二功率分配器分為兩路輸出信號:第一路輸出信號依次經過超高速比較器、脈沖計數(shù)器得到InGaAs/InP APD模塊所探測到的光子計數(shù)；第二路輸出信號經功率探測器輸入至相位與幅度自動鎖存模塊；相位與幅度自動鎖定模塊根據(jù)功率探測器的輸出信號幅度大小，調節(jié)鎖相環(huán)的相位延遲以及壓控增益放大器的增益，使得鎖相環(huán)和壓控增益放大器在相位與幅度自動鎖存模塊的控制下，合成與雪崩光電二極管APD結電容耦合的正弦噪聲信號幅度相同、相位相反的同頻信號； 所述半導體溫度控制模塊用于調節(jié)所述InGaAs/InP模塊的溫度。
2.如權利要求1所述的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，其特征在于:所述的InGaAs/InP APD模塊包括輸入匹配電阻、隔直電容、限流保護電阻、去耦電容、雪崩光電二極管APD、輸出匹配電阻，帕爾貼以及熱敏電阻，其中: 所述雪崩光電二極管APD、帕爾貼以及熱敏電阻被粘連在一起并使用保溫材料加以密封；雪崩光電二極管APD的門控信號經所述輸入匹配電阻接地，以保證高頻信號不出現(xiàn)反射而造成失真；所述隔直電容用于隔離門控信號和高壓直流偏置之間的直流耦合，僅允許交流的門控信號通過，并加載到雪崩光電二極管APD的陰極；所述輸出匹配電阻的一端分別連接雪崩光電二極管APD的陽極和InGaAs/InP ATO模塊的輸出端，所述輸出匹配電阻的另一端接地；高壓直流偏置模塊的直流電壓偏置通過所述限流保護電阻連接雪崩光電二極管AH)的陰極，形成高壓反向偏置；直流電壓偏置進入InGaAs/InP ATO模塊內部時，通過所述去耦電容接地，以抑制偏置輸入端口的高頻干擾。
3.如權利要求1所述的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，其特征在于:所述的相位和幅度自動鎖存模塊包括模數(shù)轉換器，微控制器、數(shù)模轉換器，其中: 所述功率探測器探測的電壓信號輸入經模數(shù)轉換器采樣，將模擬量電壓信號轉換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號經過微控制器利用相位和幅度自動鎖存算法計算后，得到鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓，微控制器將該最佳工作電壓信號經數(shù)模轉換器轉換為模擬控制電壓，并分別輸出給鎖相環(huán) 和壓控增益放大器，使兩個器件鎖定在最佳工作狀態(tài)。
4.如權利要求1或3所述的頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，其特征在于:相位與幅度自動鎖定模塊根據(jù)以下方法確定鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓: 將功率探測器輸出的濾波后的信號Swt表示為:S0!!l=\l:1+~I':'2+j-:l:'cosUo-(p']: 其中E代表容性耦合噪聲的電場強度，E’代表差分信號的電場強度，P代表容性耦合噪聲的相位，^代表差分信號的相位； 根據(jù)上式，僅當容性耦合噪聲與差分信號強度一致且兩者相位差產Κ=2Ν+π時才能得到功率探測器輸出的最小值，此時差分信號對容性耦合噪聲的抑制達到最佳工作點，N為整數(shù)； 依照上述原則，利用微控制器按照數(shù)模轉換器的最小步長分別給予鎖相環(huán)和壓控增益放大器增大或減小的控制電壓信號，在此過程中得到一個功率探測器輸出的最小值，此時的微控制器輸出的控制電壓為 鎖相環(huán)和壓控增益放大器最佳工作電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頻率可調諧的吉赫茲正弦門控近紅外單光子探測器，包括正弦波門控信號發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InPAPD模塊，半導體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計數(shù)器，功率探測器，相位與幅度自動鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，該探測器無需使用延遲線或帶阻濾波器等體積較大的器件就可以有效抑制雪崩光電二極管APD結電容耦合的噪聲，提高探測器的靈敏度且同時具有高探測速率、高量子效率、低暗計數(shù)與后脈沖概率以及結構緊湊、無超低溫要求、成本低等優(yōu)點，是實現(xiàn)近紅外波段高速單光子探測的理想方案。
文檔編號G01J11/00GK103115688SQ201310027060
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權日2013年1月24日
發(fā)明者張益昕, 張旭蘋, 楊國文, 王順, 胡君輝 申請人:南京大學