本發(fā)明涉及一種弱光檢測(cè)和高速量子探測(cè)技術(shù)，特別涉及一種超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器。

背景技術(shù)：

近年來，隨著量子力學(xué)和信息科學(xué)的飛速穩(wěn)步發(fā)展,導(dǎo)致了新興交叉學(xué)科——量子信息科學(xué)的誕生，其發(fā)展為經(jīng)典信息科學(xué)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)已引起物理學(xué)界和信息學(xué)界的廣泛關(guān)注。目前，量子信息科學(xué)的研究中大量采用單光子作為量子信息的載體，因此單光子探測(cè)技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。作為近紅外通信波段光子的有效檢測(cè)器件，基于ingaas/inp雪崩光電二極管（apd）的單光子探測(cè)器，不僅具備尺寸小、功耗低、僅需半導(dǎo)體制冷甚至無需制冷、易于集成的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)外，還具備探測(cè)效率高、暗計(jì)數(shù)低、時(shí)間抖動(dòng)小，最大計(jì)數(shù)率高等性能優(yōu)勢(shì)?？紤]到這些優(yōu)勢(shì)，在量子密鑰分發(fā)、深空探測(cè)及通信、激光測(cè)距等系統(tǒng)中，ingaas/inpapd已被廣泛使用。因此，為了滿足各領(lǐng)域日益增長的需求，提升系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)基于ingaas/inpapd的高速低噪聲單光子探測(cè)勢(shì)在必行。

ingaas/inpapd一般具有兩種工作模式，即線性模式和蓋革模式。為了實(shí)現(xiàn)單光子水平下的弱光信號(hào)檢測(cè)，雪崩光電二極管往往需要工作在門控蓋革模式下以響應(yīng)單個(gè)光子。然而由于apd結(jié)電容的微分效應(yīng)，充放電產(chǎn)生的尖峰噪聲會(huì)將有效的光生雪崩信號(hào)湮沒，同時(shí)隨著門脈沖重復(fù)頻率的提高，尖峰噪聲信號(hào)增大，有效雪崩時(shí)間縮短，會(huì)進(jìn)一步增大有效雪崩信號(hào)的提取難度。因此，如何消除尖峰噪聲并從中提取出微弱的有效雪崩信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)門控模式ingaas/inpapd單光子探測(cè)的核心問題，而目前發(fā)展較為成熟的方案主要有基于差分平衡技術(shù)的等效電容平衡方案、自平衡方案和基于濾波技術(shù)的正弦門濾波方案。

基于差分平衡的探測(cè)方案的核心在于模擬產(chǎn)生一個(gè)與尖峰噪聲類似的噪聲信號(hào)，將其與包含了雪崩信號(hào)的apd輸出信號(hào)通過差模網(wǎng)絡(luò)抵消，最終提取出有效的雪崩信號(hào)。這種技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)非常高的尖峰噪聲抑制比，但由于其最大工作頻率仍局限在百兆赫茲水平，一般只適合特定較窄頻域和較低工作頻率的探測(cè)。而正弦門控技術(shù)可一舉將門信號(hào)重復(fù)頻率提高到吉赫茲水平，其關(guān)鍵在于apd中的等效結(jié)電容對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生入方波那樣的復(fù)雜畸變，可根據(jù)噪聲信號(hào)的頻譜特性，直接使用濾波器除去尖峰噪聲。這種方法電路簡單，然而在濾去噪聲的同時(shí)會(huì)將雪崩信號(hào)相應(yīng)的頻譜成分也濾掉，破壞了信號(hào)的完整性，多次濾波不僅降低雪崩信號(hào)的幅度，也會(huì)使得時(shí)間抖動(dòng)變大，且由于低頻的正弦波對(duì)應(yīng)的脈沖寬度較寬不可調(diào)，在低頻應(yīng)用中會(huì)引起過量暗計(jì)數(shù)，造成嚴(yán)重的后脈沖效應(yīng)，因此這種主要應(yīng)用于高速單光子探測(cè)，工作頻率接近于ghz或以上，可調(diào)節(jié)的工作頻率范圍有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在高速低噪聲單光子探測(cè)存在的問題，提出了一種超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器，將超短脈沖門控低通濾波與容性平衡方案結(jié)合起來，使用超短脈沖信號(hào)作為門信號(hào)加載在apd上，采用容性平衡電路級(jí)聯(lián)低通濾波器的方案實(shí)現(xiàn)高速高效的單光子探測(cè)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器，單光子源作用于雪崩光電二極管，亞納秒量級(jí)高速超短脈沖門信號(hào)同時(shí)與直流高壓偏置耦合于雪崩光電二極管和一個(gè)與雪崩光電二極管電容特性相似的等效可調(diào)電容兩端，雪崩光電二極管和等效可調(diào)電容分別得到尖峰噪聲信號(hào)和與尖峰噪聲相似的微分信號(hào)，兩信號(hào)進(jìn)入差分電路，共模尖峰噪聲相互抵消，輸出提取出的微弱的有效雪崩信號(hào)，再經(jīng)放大器后送入高抑制比的低通濾波器，濾除尖峰噪聲和放大器引入的噪聲，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。

所述高速超短脈沖門信號(hào)由射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)作用于門脈沖產(chǎn)生電路生成。

所述門脈沖產(chǎn)生電路包括窄脈寬電路、電壓調(diào)幅電路和后續(xù)放大電路，首先通過窄脈寬電路，即用高速比較器將脈寬壓窄，窄脈寬電路輸出信號(hào)經(jīng)過電壓調(diào)幅電路中的寬帶寬、低相移的電壓可調(diào)衰減器再送入放大電路，實(shí)現(xiàn)幅值、脈寬可調(diào)的門脈沖信號(hào)。

所述等效可調(diào)電容由高速二極管代替。

所述射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，作用于門脈沖產(chǎn)生電路，即產(chǎn)生脈寬以及幅值可調(diào)的超短脈沖門信號(hào)，將輸出的門脈沖信號(hào)通過電容加載在雪崩光電二極管和高速二極管的陰極，同時(shí)在二者陰極耦合直流偏置電壓，通過調(diào)整高速二極管陰極的偏置電壓的大小來調(diào)整高速二極管的等效電容值與雪崩光電二極管容值相配，高速二極管上可產(chǎn)生與apd尖峰噪聲類似的微分信號(hào)；將雪崩光電二極管和高速二極管產(chǎn)生的信號(hào)在陽極通過取樣電阻采集，分別將其送入差分電路中進(jìn)行差分相減，再經(jīng)第一射頻放大器初步得到隱藏在尖峰噪聲中的雪崩信號(hào)，雪崩信號(hào)經(jīng)過高抑制比的低通濾波器，濾除門信號(hào)重復(fù)頻率及其諧波頻譜上的尖峰噪聲，提取出有效雪崩信號(hào)，將提取出的雪崩信號(hào)通過第二個(gè)射頻放大器，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入高速數(shù)字信號(hào)示波器或時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)儀即可觀察有效雪崩計(jì)數(shù)。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器，摒棄了傳統(tǒng)單一的平衡方案或?yàn)V波方案，以實(shí)用化為目標(biāo)結(jié)合兩種方案的優(yōu)勢(shì)，使用脈寬可調(diào)幅度可調(diào)的超短脈沖信號(hào)作為門控信號(hào)，拓展了采用平衡方案的單光子探測(cè)器的工作頻率，且減小門信號(hào)的有效脈寬，可有效降低誤計(jì)數(shù)，在高速探測(cè)中仍能保障尖峰噪聲的高抑制比，提高探測(cè)器性能。此外，采用這種方案可實(shí)現(xiàn)在不改變?nèi)魏卧骷臈l件下，探測(cè)器的工作重復(fù)頻率可在相對(duì)較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可調(diào)范圍在幾兆赫茲至吉赫茲以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器原理框圖；

圖2為本發(fā)明超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例工作頻率為100mhz時(shí)尖峰噪聲和經(jīng)處理后的雪崩信號(hào)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例工作頻率為1ghz時(shí)尖峰噪聲和經(jīng)處理后的雪崩信號(hào)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器原理框圖，單光子源作用于雪崩光電二極管，亞納秒量級(jí)的高速超短脈沖門信號(hào)同時(shí)與直流高壓偏置耦合于apd和一個(gè)與apd電容特性相似的等效可調(diào)電容（或高速二極管）兩端，apd和等效可調(diào)電容分別得到尖峰噪聲和與其非常相似的微分信號(hào)，然后將兩信號(hào)接入差分電路，共模尖峰噪聲相互抵消即可提取出微弱的有效雪崩信號(hào)，再經(jīng)放大器后送入合適的低通濾波器，進(jìn)一步濾除尖峰噪聲和放大器引入的噪聲，實(shí)現(xiàn)高效的單光子探測(cè)。

如圖2所示超短脈沖門控的高速低噪聲單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖，使用射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，作用于門脈沖產(chǎn)生電路，即可產(chǎn)生脈寬以及幅值可調(diào)的超短脈沖門信號(hào)，將輸出的門脈沖信號(hào)通過電容加載在apd和高速二極管的陰極，同時(shí)在二者陰極耦合直流偏置電壓，通過調(diào)整高速二極管陰極的偏置電壓的大小來調(diào)整高速二極管的等效電容值與apd相配，即可產(chǎn)生與apd尖峰噪聲類似的微分信號(hào)。將二者產(chǎn)生的信號(hào)在陽極通過取樣電阻采集，分別將其送入差分電路中進(jìn)行差分相減，再經(jīng)第一射頻放大器即可初步得到隱藏在尖峰噪聲中的雪崩信號(hào)。隨著探測(cè)器工作頻率的提高，即門脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率提高，其有效寬度極小，尖峰噪聲信號(hào)隨著快速充放電增大，有效雪崩時(shí)間縮短，大大增加了有效雪崩信號(hào)的提取難度?？紤]到容性平衡及差模電路在較高工作頻率下對(duì)尖峰噪聲的抑制比有限，因此，根據(jù)尖峰噪聲的頻譜分布特性，在容性平衡電路之后級(jí)聯(lián)一個(gè)高抑制比的低通濾波器，濾除門信號(hào)重復(fù)頻率及其諧波頻譜上的尖峰噪聲，提取出有效雪崩信號(hào)。最后將提取出的雪崩信號(hào)通過第二個(gè)射頻放大器，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入高速數(shù)字信號(hào)示波器或時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)儀即可觀察有效雪崩計(jì)數(shù)。

本實(shí)施例中的超短脈沖門控信號(hào)由射頻信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)后接入門脈沖產(chǎn)生電路，門脈沖產(chǎn)生電路主要包括窄脈寬電路、電壓調(diào)幅電路和后續(xù)放大電路，首先通過窄脈寬電路，即用高速比較器將脈寬壓窄，其輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)寬帶寬、低相移的電壓可調(diào)衰減器再送入放大電路，以實(shí)現(xiàn)幅值、脈寬可調(diào)的門脈沖信號(hào)。其中電壓可調(diào)衰減器具有極高的可調(diào)量程，方便調(diào)節(jié)輸入至后續(xù)放大電路的幅度，進(jìn)而影響放大倍數(shù)，即實(shí)現(xiàn)門脈沖幅值在較大的范圍內(nèi)可調(diào)。

本實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)在不改變?nèi)魏卧骷臈l件下，探測(cè)器的工作重復(fù)頻率可在相對(duì)較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可調(diào)范圍在幾兆赫茲至吉赫茲以上。其可調(diào)范圍主要受可產(chǎn)生的超短脈沖門控信號(hào)的頻率范圍、可調(diào)電容的工作頻率范圍以及濾波器的濾波范圍限制，在容性平衡電路中，由于可調(diào)電容工作頻率范圍比較有限，可用與apd電容特性更為接近的高速二極管來代替電容，通過變阻器調(diào)節(jié)高速二極管的高壓來盡可能模擬apd的電學(xué)特性。而選用的低通濾波器截止頻率不可過高也不可過低，過高則無法發(fā)揮作用濾去尖峰噪聲，過低則會(huì)將分布在較高頻段的雪崩信號(hào)一并濾除從而無法保證雪崩信號(hào)的完整性。本實(shí)施例中選用的低通濾波器截止頻率為700mhz，在1ghz處抑制比達(dá)～40db，在低速和高速探測(cè)中均能發(fā)揮良好的作用。

門脈沖重復(fù)頻率為100mhz時(shí)，開啟激光器，調(diào)節(jié)光信號(hào)與門信號(hào)的延時(shí)使二者同步，在通過容性平衡電路之后用示波器采集的雪崩輸出信號(hào)如圖3（a）所示；無光入射即關(guān)閉激光器時(shí)，通過容性平衡電路之后用示波器采集的雪崩輸出信號(hào)如圖3（b）所示，可以看出尖峰噪聲的峰峰值達(dá)到～300mv，雪崩信號(hào)的幅度高出尖峰噪聲約100mv，可通過雪崩信號(hào)輸出處理電路設(shè)置比較閾值輕易將有效雪崩信號(hào)提取出來，得到較高的信噪比。門脈沖重復(fù)頻率為1ghz時(shí)，無光入射即關(guān)閉激光器時(shí)，通過容性平衡電路之后用示波器采集的雪崩輸出信號(hào)如圖4（a）所示；開啟激光器，調(diào)節(jié)光信號(hào)與門信號(hào)的延時(shí)使二者同步，通過容性平衡電路之后用示波器采集的雪崩輸出信號(hào)如圖4（a）所示，可以看出尖峰噪聲的峰峰值達(dá)到～200mv，而雪崩信號(hào)僅高于噪聲～30mv，噪聲抑制比未能達(dá)到理想水平。通過對(duì)尖峰噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜特性分析，將經(jīng)過容性平衡電路的雪崩信號(hào)送入低通濾波器，將尖峰噪聲抑制至熱噪聲水平，即可提取出有效雪崩信號(hào)，如圖4（c）所示，即為開啟激光器，調(diào)節(jié)光信號(hào)與門信號(hào)的延時(shí)使二者同步，通過容性平衡電路之后再級(jí)聯(lián)低通濾波器，在濾波器后用示波器采集的雪崩輸出信號(hào)，此時(shí)輸出的雪崩信號(hào)的幅值遠(yuǎn)高于尖峰噪聲，尖峰噪聲的抑制比可達(dá)到～30db。

在超短脈沖門控信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，雪崩光電二極管響應(yīng)外部入射光子，形成雪崩電流，通過容性平衡電路初步將尖峰噪聲差分抵消后再送入低通濾波器，進(jìn)一步濾除尖峰噪聲提取有微弱的效雪崩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高速高效的單光子探測(cè)。

超短脈沖門控信號(hào)的脈寬和幅度可調(diào)，其脈寬最窄小于1納秒，拓展了采用平衡方案的單光子探測(cè)器的工作頻率，且通過減小門信號(hào)的有效脈寬，可有效降低誤計(jì)數(shù)，在高速探測(cè)中仍能保障尖峰噪聲的高抑制比。

容性平衡電路中所采用的可調(diào)電容也可用與apd電容特性更為接近的高速二極管替代，其工作頻率范圍更廣，在改變門控信號(hào)的工作重復(fù)頻率時(shí)，僅需改變其兩端高壓以改變其電容特性即可保障尖峰噪聲的高抑制比。