CN101650227A - 吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉及量子保密通信和微弱红外光探测等领域，为一种红外单光子探测器。包括正弦波门控功率源，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路，直流电压偏置电路，半导体控温电路，低通滤波器，高速宽带放大器，超高速比较器和计数器，以正弦波门控功率源输出的频率为吉赫兹(GHz)的正弦波作为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的门控信号，同时以低通滤波器对结电容微分效应引起的尖峰噪声进行低通滤波。克服了现有技术中尖峰噪声干扰问题，提高雪崩信号的检测灵敏度，用于GHz高速红外单光子探测。

Description

吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器

技术领域

本发明涉及涉及量子保密通信和微弱红外光探测等领域，为一种红外单光子探测器。

背景技术

单光子探测器是一种专门用于单个光子探测的光电设备，工作在通信波长(1310-1550nm)的红外单光子探测器是量子保密通信中的一个关键设备。红外单光子探测器也用于量子计算，光学测距，光纤传感，极微弱光探测和干涉等领域。

目前红外单光子探测的方法主要有以下几种：使用雪崩光电二极管(APD)的红外单光子探测和超导单光子探测方法。由于超导单光子探测中，光敏元件的工作温度极低，约4K左右，使用中需要庞大昂贵的制冷设备，应用成本高，因此在实际应用中难以推广。目前，进行红外单光子探测的主要方法是采用铟镓砷铟磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)作为光敏元件，使其工作在高增益雪崩状态下，实现红外单光子探测。InGaAs/InP APD的工作温度约为-50℃左右，可利用半导体制冷技术实现。InGaAs/InP APD红外单光子探测器具有探测效率高，暗计数低和结构简单等优点。

对于InGaAs/InP APD，其材料中存在的缺陷会成为载流子的俘获中心。当单光子通过APD的雪崩效应激发出大量的载流子后，部分的载流子会被这些俘获中心俘获，然后经过一段时间后被释放。如果此时APD具备雪崩条件，那么这些被释放的载流子也会产生雪崩信号，这种现象称为后脉冲效应。通常红外单光子探测器为了减少后脉冲效应的影响，会在雪崩现象发生之后，将APD偏压减小并持续几个μs时间不进行探测，从而减小后脉冲。而对于高速红外单光子探测器，则不能使用上述方法，为了克服高速探测条件下的后脉冲效应，必须进一步减小单光子在APD内部产生的光电流，这样会导致雪崩光电信号十分微弱，因此必须进一步提高雪崩光电信号的放大增益，提高探测器的灵敏度，从而才能有效探测到雪崩光电信号。由于APD的结电容效应，导致门控信号通过APD后会产生尖峰噪声，如果雪崩信号的放大增益太高，雪崩信号和噪声信号同时被放大，将对光电雪崩信号的检测产生严重干扰，该干扰信号一般要比雪崩信号大2个数量级以上。如何有效抑制APD结电容产生的尖峰噪声是高速红外单光子探测器的关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种吉赫兹(GHz)正弦波门控低通滤波红外单光子探测器，可以有效抑制尖峰噪声对雪崩信号的干扰，提高雪崩信号的检测灵敏度，用于GHz高速红外单光子探测。

本发明所采用的技术方案如下：

吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器，包括正弦波门控功率源，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路，直流电压偏置电路，半导体控温电路，低通滤波器，高速宽带放大器，超高速比较器和计数器，其中：

正弦波门控功率源的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的门控输入端相连，直流电压偏置电路的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的直流电压偏置端相连，半导体控温电路与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路相连，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与高速宽带放大器的输入端相连，高速宽带放大器的输出端与超高速比较器的输入端相连，超高速比较器的输出端和计数器的输入端相连。

所述的吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器中：

以正弦波门控功率源输出的频率为GHz的正弦波作为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的门控信号，同时以截止频率低于门控信号频率的低通滤波器对由铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路中的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管的结电容微分效应引起的尖峰噪声进行低通滤波。

本发明的积极效果是：(1)单光子探测器工作速度高，频率大于1GHz。(2)低通滤波器对门控干扰信号抑制效果好，可优于100dB，有效提高检测灵敏度，有利于减小探测器的后脉冲效应，有效提高探测器的探测效率。(3)结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明电路结构方框图。

图2为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的原理是：由于InGaAs/InP APD的结电容微分效应产生的尖峰噪声会对微弱的雪崩光电信号产生极其严重的干扰，如何有效抑制门控信号干扰是GHz单光子探测的关键技术。对于GHz的正弦波门控信号经过InGaAs/InP APD的结电容后产生的尖峰噪声，其能量主要分布在门控信号的基频和倍频分量上。对于已有的InGaAs/InP APD，其响应时间为ns数量级，雪崩信号的能量分布主要集中在1GHz以下。对于GHz正弦波门控红外单光子探测器，其门控干扰信号能量主要集中在GHz以上，而雪崩信号能量主要集中在1GHz以下，所以使用截止频率在1GHz左右的低通滤波器，可以有效滤除尖峰噪声，提高光电信号的检测灵敏度，从而减少后脉冲效应，提高探测效率。

如图1所示，吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器，包括正弦波门控功率源1，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2，直流电压偏置电路3，半导体控温电路4，低通滤波器5，高速宽带放大器6，超高速比较器7和计数器8，其中：

正弦波门控功率源1的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2的门控输入端相连，直流电压偏置电路3的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2的直流电压偏置端相连，半导体控温电路4与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2相连，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2的输出端与低通滤波器5的输入端相连，低通滤波器5的输出端与高速宽带放大器6的输入端相连，高速宽带放大器6的输出端与超高速比较器7的输入端相连，超高速比较器7的输出端和计数器8的输入端相连。

所述的吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器中：

以正弦波门控功率源1输出的频率为GHz的正弦波作为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2的门控信号，同时以截止频率低于门控信号频率的低通滤波器5对由铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2中的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9的结电容微分效应引起的尖峰噪声进行低通滤波。

正弦波门控功率源1由高频信号源和宽带功率放大器组成，给铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2提供正弦波门控信号，其信号频率在1GHz以上，输出幅度为5~10Vp-p。

铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2由铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9、输入匹配电阻R1、输入耦合电容C1、限流保护电阻R2、输出匹配电阻R3和输出耦合电容C2组成，并放置于屏蔽盒10中，

正弦波门控功率源1输出的GHz正弦波门控信号经输入匹配电阻R1连接电源地端，同时经输入耦合电容C1连接铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9的负端，

直流电压偏置电路3输出的直流偏置电压的正端经限流保护电阻R2与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9的负端相连，

铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9的正端经输出匹配电阻R3连接电源地端，同时经输出耦合电容C2输出雪崩光电信号。

屏蔽盒10由金属腔体屏蔽盒构成，用来抑制外界电磁波干扰。

半导体控温电路4由单片机控制器、半导体制冷片和散热风扇组成，对放置铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的屏蔽盒10进行温度控制，控温范围为-50℃到-30℃，控温稳定性为±0.1℃。

直流电压偏置电路3由高精度程控电源组成，给铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路提供高压反偏信号，输出电压通过数字接口进行控制，电压范围为40~50V，最小分辨率4mV，温度稳定性优于1mV/℃。

低通滤波器5为多级LC无源微波低通滤波器，截止频率比门控信号频率约低10％，插入损耗小于6dB，带外衰减大于80dB。

高速宽带放大器6为带宽100MHz-3GHz的反相放大器，增益大于30dB，最大输出功率为10dBm。

超高速比较器7为超高速电平甄别比较器，用于甄别雪崩光电信号，其最高翻转频率为5GHz，甄别电平在-10~-1000mV范围内可调，其输出为TTL电平或NIM电平，脉冲宽度10ns。

计数器8为TTL电平或NIM电平输入的频率计数器，对超高速比较器的输出信号进行计数。

本发明部分电路的器件型号是：

正弦波门控功率源1由美国安捷伦公司的N5181A型号高频信号源和美国皮秒公司的5865型号12.5GHz宽带功率放大器组成，输出频率为1.6GHz，输出幅度为6.2Vp-p的单一正弦波。

直流电压偏置电路3由台湾固纬电子公司的GPD-3303D型号程控电源组成，输出电压44.9V，分辨率为4mV，温度稳定性优于1mV/℃。

铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9采用美国JDSU公司的ETX40型号InGaAs/InP APD，带宽最小1.6GHz，雪崩电压46.2V。

半导体控温电路4由TI公司的单片机控制器MSP430F149、半导体制冷片和散热风扇组成，对铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路进行温度控制，使得铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的工作温度为-35±0.1℃。

低通滤波器5为2×15级LC无源微波低通滤波器，1dB转折频率1.45GHz，插入损耗小于5dB，1.6GHz处衰减为103dB。

高速宽带放大器6为带宽100MHz~3GHz的反相放大器，增益大于30dB，带内平坦度优于10dB，最大输出电平为10dBm。

超高速比较器7采用美国ORTEC公司的9307型号超高速比较器，输入脉冲的最小脉宽为400ps，甄别电平为-200mV。

计数器8采用美国ORTEC公司的9308型号计数器，具有时间统计分析功能。

具体的工作过程如下：由于现有的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路InGaAs/InP APD的响应时间为ns量级，因此该雪崩光电信号的能量分布主要集中在1GHz以下。使用1dB转折频率为1.45GHz的LC无源微波低通滤波器5对1.6GHz频率的正弦波功率信号经铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9结电容效应后产生的尖峰噪声进行有效抑制，从而对雪崩光电信号进行有效提纯。雪崩光电信号经高速宽带放大器放大后，使用超高速比较器进行电平比较甄别雪崩光电信号，然后由计数器对超高速比较器的甄别输出信号进行计数。

Claims (2)

1.吉赫兹正弦波门控低通滤波红外单光子探测器，包括正弦波门控功率源(1)，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)，直流电压偏置电路(3)，半导体控温电路(4)，低通滤波器(5)，高速宽带放大器(6)，超高速比较器(7)和计数器(8)，其特征在于：

正弦波门控功率源(1)的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)的门控输入端相连，直流电压偏置电路(3)的输出端与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)的直流电压偏置端相连，半导体控温电路(4)与铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)相连，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)的输出端与低通滤波器(5)的输入端相连，低通滤波器(5)的输出端与高速宽带放大器(6)的输入端相连，高速宽带放大器(6)的输出端与超高速比较器(7)的输入端相连，超高速比较器(7)的输出端和计数器(8)的输入端相连。

2、如权利要求1所述的正弦波门控低通滤波红外单光子探测器，其特征在于：

以正弦波门控功率源(1)输出的频率为吉赫兹的正弦波作为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)的门控信号，同时以截止频率低于门控信号频率的低通滤波器(5)对由铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路(2)中的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管(9)的结电容微分效应引起的尖峰噪声进行低通滤波。

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