CN101650228A - 吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子保密通信和微弱红外光探测等领域，为一种脉冲门控低通滤波红外单光子探测器。包括脉冲门控功率源，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路，直流电压偏置电路，低通滤波器，高速宽带放大器，超高速比较器和计数器，以脉冲门控功率源输出的吉赫兹(GHz)脉冲信号作为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路的门控信号，以低通滤波器对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信号进行低通滤波。克服了现有技术中尖峰噪声的干扰问题，提高雪崩信号的检测灵敏度，因而可用于GHz高速红外单光子探测。

Description

吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器

技术领域

本发明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

单光子探测技术在很多领域，如光时域反射计、光纤通信、量子密钥分配(QKD)、荧光和拉曼光谱学等已成为一项很普及的技术。传统上，光电倍增管(PMT)可应用于单光子探测，它具有低的暗计数和极高的时间分辨率，但是它对波长超过1微米的光的探测效率很低(小于1％)，这使得它在红外测量领域几乎没有实用价值。硅雪崩光电二极管(雪崩光电二极管简称APD)也可作为单光子探测的核心器件，在400nm至900nm波段具有很好的性能，成品的暗计数小于25cps，同时量子效率可达到70％，但是硅材料的带隙宽度决定了它对波长超过1微米的光几乎不响应。对于光通信窗口1300nm和1550nm的单光子探测，早先报道过基于锗APD的单光子探测实验，为了得到较低的暗计数，锗APD必须被冷却至77K，在这个温度下，锗材料的截止波长移到1450nm，这时它在1550nm窗口也基本没有响应。为降低红外单光子探测的暗计数，有人考虑采用光胶法研制一种混合型的APD，其中以铟镓砷作为吸收层，而硅作为倍增层，但是，到目前为止，这种器件的性能还未达到可实用的水平。近年来，基于超导材料的红外单光子探测成为研究的一个热点，原因是相对于传统的基于APD的红外单光子探测器，超导红外单光子探测器具有极低的暗计数和极高的计数率，性能上有着较大的优势，但是，由于超导红外单光子探测器需要极低的工作温度(约4K)，因此很难获得广泛的应用。

目前，大多数通讯波段的红外单光子探测仍然采用铟镓砷铟磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)作为光敏感元件，将其使用在反偏电压高于其雪崩电压的所谓的盖革模式(Geiger mode)下工作。在该模式下，APD在单光子的触发下发生“自持雪崩”，APD可产生足够大的增益，以保证单光子信号可以被后续电路检测到。当发生“自持雪崩”后，需要在下一个光子到达APD前淬灭该雪崩过程，以确保APD能有效接收下一个光子。淬灭雪崩过程的方法有三种：无源淬灭、有源淬灭和门控模式。无源和有源淬灭方法可使APD测量未知时刻到来的光信号。但如果事先可以确定光子到达APD的时间，则可以采用门控模式，与前两种方法相比，该模式可以得到更高的探测效率和更小的暗计数，而且特别适合量子通信技术的需求。

当APD工作在盖革模式下，由于APD结电容的微分效应，门脉冲通过APD后会产生幅度很大的尖峰噪声，而单光子雪崩信号正好夹在正反向的尖峰噪声之间，并且信号幅度小于尖峰噪声的幅度，因此如何提取单光子雪崩信号非常关键。

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具备自持雪崩条件，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。显然，后脉冲效应必须被抑制。如果两次单光子探测的时间间隔大于μs量级，就可有效的抑制后脉冲效应，但是这会限制单光子探测的门控重复频率，一般在MHz量级。为了提高单光子探测的重复频率，例如达到GHz量级，可以减小InGaAs/InP APD的雪崩增益，使被俘获的载流子数目减少，以减小后脉冲效应发生的几率。但是这样单光子雪崩信号就会十分微弱，难以有效探测，而由APD结电容产生的尖峰噪声却没有明显减小，因此提取单光子雪崩信号变得更加困难。于是尖峰噪声抑制技术在高速红外单光子探测中变得更为关键。

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)脉冲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，因而可用于GHz高速红外单光子探测。

本发明所采用的技术方案如下：

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

脉冲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，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与计数器的输入端相连。

所述的吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器中：

以脉冲门控功率源输出的重复频率为GHz的脉冲信号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信号进行低通滤波。

本发明的积极效果是：(1)单光子探测器工作速度高，重复频率大于1GHz。(2)脉冲门控窄，可小于100ps，有效减少暗计数。(3)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。(4)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。

本发明的基本原理：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，如何有效抑制尖峰噪声是GHz单光子探测器的关键技术。对于GHz的脉冲门控信号，其能量主要分布在基频及其倍频分量上。门控信号经过InGaAs/InP APD的结电容后产生的尖峰噪声，其能量仍然主要分布在门控基频和倍频上，而且在倍频分量上能量进一步相应增加。对于理想电路的GHz门控电路来说，其脉冲门控干扰信号能量分布均等于或者高于其基频。对于已有的InGaAs/InP APD，其响应时间为ns量级，雪崩光电信号的能量分布主要集中在1GHz以下。对于GHz脉冲门控红外单光子探测器，其尖峰噪声能量主要集中在GHz以上，而雪崩光电信号能量则主要集中在GHz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，从而提高探测效率。对于GHz脉冲门控信号，减小其脉冲宽度，还可以有效减小单光子探测器的暗计数。

如图1所示，吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器，包括脉冲门控功率源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，低通滤波器4，高速宽带放大器5，超高速比较器6和计数器7，其中：

脉冲门控功率源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，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4的输入端相连，低通滤波器4的输出端与高速宽带放大器5的输入端相连，高速宽带放大器5的输出端与超高速比较器6的输入端相连，超高速比较器6的输出端与计数器7的输入端相连。

所述的吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器中：

以脉冲门控功率源1输出的重复频率为GHz的脉冲信号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4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信号进行低通滤波。

脉冲门控功率源1给铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2提供脉冲门控信号，其输出幅度为5~10Vp-p，输出脉冲宽度为100~800ps，脉冲的上升时间和下降时间为60~80ps，脉冲延时可调范围为10~1000ps，重复频率高于1GHz。

如图2所示，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，并放置于温度控制屏蔽盒8中。

脉冲门控功率源1输出的GHz脉冲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。

温度控制屏蔽盒8由金属腔体屏蔽盒构成，用来抑制外界电磁波干扰。温度控制范围为-50℃到-30℃，温度稳定性为±0.1℃，保证铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路在恒定的低温下工作。

直流电压偏置电路3为铟镓砷铟磷雪崩光电二极管电路2提供高压反偏信号，输出电压为40~50V。输出电压通过数字接口进行控制，最小分辨率为4mV，温度稳定性优于1mV/℃。

低通滤波器4为多级LC无源微波低通滤波器，截止频率比门控信号频率低约10％，插入损耗小于6dB，带外衰减大于80dB。

高速宽带放大器5的带宽为100MHz到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6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，脉冲宽度为10ns。

计数器7对超高速比较器的输出信号进行计数。

具体实施例的工作过程如下：当红外单光子源发出的光子被工作在盖革模式下的铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9吸收时，铟镓砷铟磷雪崩光电二极管9的光电雪崩效应将产生单光子雪崩信号。由于现有的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。LC无源微波低通滤波器4对结电容效应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5放大后通过高速比较器6进行电平比较，然后由计数器7对超高速比较器的输出信号进行计数。

本发明采用的部分电路型号如下：脉冲门控功率源1由美国安捷伦公司的81133A型号脉冲码型发生器和美国皮秒公司的5865型号的12.5GHz宽带功率放大器组成，输出脉冲重复频率1.6GHz，脉宽200ps，幅度6.2Vp-p。

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。

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。

半导体制冷的温度控制屏蔽盒8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4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5为带宽为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6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7采用美国ORTEC公司的9308型号计数器，具有时间统计分析功能。

Claims (2)

1、吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器，包括脉冲门控功率源(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)，低通滤波器(4)，高速宽带放大器(5)，超高速比较器(6)和计数器(7)，其特征在于：

脉冲门控功率源(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，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(4)的输入端相连，低通滤波器(4)的输出端与高速宽带放大器(5)的输入端相连，高速宽带放大器(5)的输出端与超高速比较器(6)的输入端相连，超高速比较器(6)的输出端与计数器(7)的输入端相连。

2、如权利要求1所述的吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器，其特征在于：

以脉冲门控功率源(1)输出的重复频率为吉赫兹的脉冲信号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(4)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信号进行低通滤波。

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