CN102004003B - 光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器 - Google Patents

光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器，它包括光脉冲发生器、光纤耦合器、光衰减器、光延时器、光电转换模块、门脉冲放大模块及信号提取模块，所述光脉冲发生器连接于光纤耦合器并分为两路，一路连接于光衰减器至门脉冲放大模块的光信号输入端，另一路连接光延时器至光电转换模块的光信号输入端、光电转换模块的输出端连接于门脉冲放大模块的电信号输入端、门脉冲放大模块的电信号输出端连接信号提取模块。本发明采用光延时器及光电转换模块将光信号转化为高斯电信号作为门脉冲信号，减小了雪崩二极管APD由电容效应而引发的噪声，从而提高了信噪比。

Description

光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域中的高速量子保密通信的探测器，尤其是一种光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器。
背景技术
由于量子保密通信能够提供更为安全的通信渠道，因此在国防、军事、政治、金融等通信领域都具有重要的意义，欧洲和美日等发达国家都在不断的进行量子保密通信实用化的探索，瑞士甚至还利用量子保密通信来帮助大选的投票安全。
我国也同样重视量子通信的实用化，将其列为重点科研项目进行研究。量子保密通信系统中一项关键的技术就是在光纤通信的三个红外通信波段(即850nm、1310nm、1550nm)中实现单光子探测。在通信的这三个波段，单光子的能量都在10-19E焦耳的量级，达到探测器探测灵敏度的极限值。20世纪90年代，国外已经有公司利用硅雪崩二极管开发出了可在850nm波段工作的商用单光子探测器。近些年来，各国采用铟镓砷雪崩光电二极管APD对1310nm和1550nm波段单光子探测器的研究也日渐成熟。
在单光子探测中，雪崩二极管(APD)一般需要工作在盖革模式下，即加在APD两端的反偏电压高于其雪崩电压。在该模式下，APD在单光子的触发下发生雪崩，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。当发生雪崩后，需要在下一个光子信号到达APD前淬灭该雪崩过程，以确保APD能有效探测下一个光子信号。由于APD的反偏电压高于其雪崩电压是发生雪崩和雪崩持续的必要条件，因此只要将APD的反偏电压降低至其雪崩电压以下即可有效淬灭雪崩。实现这个过程有三种方法：无源抑制，有源抑制和门脉冲模式。无源抑制和有源抑制尽管可使APD测量到光子的光信号，但无法确定光子到达APD的时间。而用门脉冲模式检测单光子的光信号特别适合量子通信的需求，因此，最近数年内，几乎所有的通讯波段的单光子探测器都采用此模式工作。采用门脉冲模式抑制雪崩的基本原理为：在APD两端加上一个恒定的直流电压VA，该电压小于APD的雪崩电压VB，然后将一幅度为Vg、宽度为Tg的门脉冲叠加到VA上，并满足Vg+VA＞VB，这样，APD只会在门脉冲的时间Tg内发生雪崩，而在其他时间因偏压低于雪崩电压而不会产生雪崩，这样可以更有效的降低暗计数和提高光子计数率。
由于门脉冲模式的方案一般都是采用提高偏置电压，提高雪崩幅度进行比较的方法，存在的问题是：该方法无法控制单光子探测的时间抖动，且实施电路模块复杂，信噪比不高，而且后脉冲影响较大。由于采用电信号实施同步控制，时间抖动较大，在测距应用中，无法提供具有高时间分辨率的精确定位，一定程度上降低了有效的光子计数率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器，该探测器改变了传统的门脉冲信号模式，采用光延时器及光电转换模块将光信号转化为高斯电信号作为门脉冲信号，减小了雪崩二极管APD由电容效应而引发的噪声、却不改变雪崩信号的大小，从而提高了信噪比，采用光延时器对光脉冲实施同步控制，使信号同步准确，减少了时间抖动，提高了时间分辨率。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器，特点在于它包括光脉冲发生器、光纤耦合器、光衰减器、光延时器、光电转换模块、门脉冲放大模块及信号提取模块，所述光延时器及光电转换模块为一个或两个；光电转换模块由光电二极管及第一放大器组成，光电二极管上设有第一光信号输入端，第一放大器上设有第一电信号输出端；所述门脉冲放大模块由雪崩二极管、第二放大器及电容电路组成，雪崩二极管上设有第二光信号输入端，电容电路上设有一个或两个第二电信号输入端，第二放大器上设有第二电信号输出端；所述光脉冲发生器连接于光纤耦合器，光纤耦合器分为两路或者三路；
分两路时：一路连接光衰减器，光衰减器连接门脉冲放大模块的第二光信号输入端；另一路连接光延时器，光延时器连接光电转换模块的第一光信号输入端，光电转换模块的第一电信号输出端连接门脉冲放大模块的一个第二电信号输入端，门脉冲放大模块的第二电信号输出端连接信号提取模块；
分三路时：此时光延时器及光电转换模块为两个，光纤耦合器一路连接光衰减器，光衰减器连接门脉冲放大模块的第二光信号输入端；另一路连接一个光延时器，该光延时器连接光电转换模块的第一光信号输入端，光电转换模块的第一电信号输出端连接门脉冲放大模块的第二电信号输入端；又一路连接另一个光延时器，该光延时器连接另一个光电转换模块的第一光信号输入端，该光电转换模块的第一电信号输出端连接门脉冲放大模块的另一个第二电信号输入端，门脉冲放大模块的第二电信号输出端连接信号提取模块。
本发明改变了传统的门脉冲信号模式，采用光延时器及光电转换模块将光信号转化为高斯电信号作为门脉冲信号，减小了雪崩二极管APD由电容效应而引发的噪声、却不改变雪崩信号的大小，从而提高了信噪比，采用光延时器对光脉冲实施同步控制，使信号同步准确，减少了时间抖动，提高了时间分辨率。
附图说明
图1为本发明结构框图
图2为本发明实施例2的结构框图
图3为本发明实施例3的结构框图
具体实施方式
参阅图1，本发明包括光脉冲发生器1、光纤耦合器2、光衰减器3、光延时器4、光电转换模块5、门脉冲放大模块6及信号提取模块7，所述光电转换模块5由光电二极管PIN及第一放大器AMP组成、光电二极管PIN上设有第一光信号输入端51、第一放大器AMP上设有第一电信号输出端52，所述门脉冲放大模块6由雪崩二极管APD、第二放大器AMP及电容电路组成，雪崩二极管APD上设有第二光信号输入端61，电容电路上设有第二电信号输入端63，第二放大器AMP上设有第二电信号输出端62；所述光脉冲发生器1连接于光纤耦合器2，光纤耦合器2分为两路，一路连接于光衰减器3，光衰减器3连接于门脉冲放大模块6的第二光信号输入端61，光纤耦合器2的另一路连接光延时器4，光延时器4连接于光电转换模块5的第一光信号输入端51、光电转换模块5的第一电信号输出端52连接于门脉冲放大模块6的第二电信号输入端63、门脉冲放大模块6的第二电信号输出端62连接信号提取模块7。
本发明的工作原理是：将光脉冲发生器发出的脉冲信号分成两路，一路通过光电二极管PIN将光信号转换成电信号，作为门脉冲信号加载在雪崩二极管APD上；一路经过光衰减器将光信号入射到雪崩二极管APD上；通过光延时器进行同步，再通过第二放大器AMP的第二电信号输出端输出雪崩计数，由信号提取模块提取，实现单光子探测。
实施例1
参阅图1，本实施例是将单个高斯门信号加载到雪崩二极管APD上。
将光脉冲发生器1发出光脉冲信号、经光纤耦合器2分为两路，一路经光衰减器3进行衰减后作为入射光由门脉冲放大模块6的第二光信号输入端61入射到雪崩二极管APD上；另一路经过光延时器4控制光信号的延时，将延时后的光信号由光电转换模块5的第一光信号输入端51入射到光电二极管PIN上，使其产生一个上升沿和下降沿都比较缓慢的高斯门脉冲电信号，再经过第一放大器AMP对电信号进行放大，通过门脉冲放大模块6第二电信号输入端63的电容电路与光信号同时加载到雪崩二极管APD上，雪崩信号经过第二放大器AMP放大后由第二电信号输出端62经信号提取模块7提取，甄别雪崩信号，实现单光子探测。
实施例2
参阅图2，本实施例采用再激发光作为入射光。
由光脉冲信号通过再激发其他物质产生激发光，例如：可发射光、荧光及散射光作为入射光，由门脉冲放大模块6的第二光信号输入端61入射到雪崩二极管APD上，具体过程如下：
光脉冲发生器1发出光脉冲信号、经光纤耦合器2分为两路，一路通过发光体31产生激发光，经光衰减器3进行衰减后作为入射光由门脉冲放大模块6的第二光信号输入端61入射到雪崩二极管APD上；另一路经过光延时器4控制光信号的延时，将延时后的光信号由光电转换模块5的第一光信号输入端51入射到光电二极管PIN上，使其产生一个上升沿和下降沿都比较缓慢的高斯门脉冲电信号，再经过第一放大器AMP对电信号进行放大，通过门脉冲放大模块6第二电信号输入端63的电容电路与光信号同时加载到雪崩二极管APD上，雪崩信号经过第二放大器AMP放大后由第二电信号输出端62经信号提取模块7提取，甄别雪崩信号，实现单光子探测。
实施例3
参阅图3，本实施例是将正负相反的两个高斯门信号同时加载到雪崩二极管APD上，这样可以大幅提高高斯门脉冲的幅度，可保证在相同探测效率的时候降低直流高压，减小暗计数。具体过程如下：
光脉冲发生器1发出光脉冲信号、经光纤耦合器2分为三路：一路经光衰减器3进行衰减后作为入射光由门脉冲放大模块6的第二光信号输入端61入射到雪崩二极管APD上；另一路经过光延时器4控制光信号的延时，将延时后的光信号由光电转换模块5的第一光信号输入端51入射到光电二极管PIN上，使其产生一个上升沿和下降沿都比较缓慢的高斯门脉冲电信号，再经过第一放大器AMP对电信号进行放大，通过门脉冲放大模块6第二电信号输入端63的电容电路与光信号同时加载到雪崩二极管APD上；又一路光延时器4′控制光信号的延时，将延时后的光信号由光电转换模块5′的第一光信号输入端51′入射到光电二极管PIN上，使其产生一个上升沿和下降沿都比较缓慢的高斯门脉冲电信号，再经过第一放大器AMP对电信号进行放大，通过门脉冲放大模块6第二电信号输入端63′的电容电路与光信号同时加载到雪崩二极管APD上；雪崩信号经过第二放大器AMP放大后由第二电信号输出端62经信号提取模块7提取，甄别雪崩信号，实现单光子探测。

Claims (1)

1.一种光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器，其特征在于它包括光脉冲发生器、光纤耦合器、光衰减器、光延时器、光电转换模块、门脉冲放大模块及信号提取模块，所述光延时器及光电转换模块为一个或两个；光电转换模块由光电二极管及第一放大器组成，光电二极管上设有光信号输入端，第一放大器上设有电信号输出端；所述门脉冲放大模块由雪崩二极管、第二放大器及电容电路组成，雪崩二极管上设有光信号输入端，电容电路上设有一个或两个电信号输入端，第二放大器上设有电信号输出端；所述光脉冲发生器连接于光纤耦合器，光纤耦合器分为两路或者三路；
分两路：一路连接光衰减器，光衰减器连接门脉冲放大模块的光信号输入端；另一路连接光延时器，光延时器连接光电转换模块的光信号输入端，光电转换模块的电信号输出端连接门脉冲放大模块的电信号输入端，门脉冲放大模块的电信号输出端连接信号提取模块；
分三路：设置两个光延时器和两个光电转换模块，门脉冲放大模块设置两个电信号输入端；一路连接光衰减器，光衰减器连接门脉冲放大模块的光信号输入端；另一路连接第一光延时器，该第一光延时器连接第一光电转换模块的光信号输入端，该第一光电转换模块的电信号输出端连接门脉冲放大模块的第一电信号输入端；又一路连接第二光延时器，该第二光延时器连接第二光电转换模块的光信号输入端，该第二光电转换模块的电信号输出端连接门脉冲放大模块的第二电信号输入端，门脉冲放大模块的电信号输出端连接信号提取模块。
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