CN102230828B - 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域中的量子保密通信和微弱红外光探测领域，具体涉及一种低时间抖动低噪的吉赫兹高速近红外单光子探测方法，该方法涉及的控制电路由信号探测电路、噪声抑制电路、信号处理电路组成，所述噪声抑制电路采用如下方法提取雪崩电信号：将吉赫兹的正弦信号分成两路，其中一路通过放大作为门信号加载在雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管的响应输出信号先输入至一个低通滤波器，然后将另一路正弦信号衰减到与经过低通滤波器的雪崩光电二极管响应信号的幅度相同，送入平衡电路与经过低通滤波的雪崩光电二极管响应信号平衡，从而除去尖峰噪声，提取雪崩电信号，该方法利用低通滤波和平衡电路相结合的方式除去尖峰噪声，提取雪崩信号，获得较高的探测效率，并且控制时间抖动在几十皮秒内。

Description

一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法

技术领域

    本发明涉及光纤通信技术领域中的量子保密通信和微弱红外光探测领域，具体涉及一种低时间抖动低噪的吉赫兹高速近红外单光子探测方法。

背景技术

单光子探测技术是超灵敏光信号检测的诸多技术之一，在物理学、化学、生物学等学科以及工程应用领域有着十分广泛的应用。近年来，随着量子信息科学的兴起以及超灵敏光谱学的发展，单光子探测器技术在其中扮演着越来越重要的作用。

在众多波段的单光子探测技术中，近红外单光子探测技术由于其应用的广泛性和重要性引起了更多的关注，尤其是在具有重要应用价值的量子保密通信系统中，通信波段的近红外单光子探测器作为核心器件，直接决定了系统的通信距离、成码率和误码率。现在广为使用的通信系统和加密方式，原则上都可以被窃听，存在安全隐患。量子保密通信系统是一种以单光子或者纠缠光子对作为信息载体的绝对安全的保密通信系统。当信源与信宿之间用单光子传输信息时，由于长距离光纤信道中的损耗，会损失大量携带信息的单光子，为了实现实用化的量子密钥分发技术，探测器需要有较高的探测效率、较低的暗计数率（即信噪比高）和较高的工作频率（提高成码率）。

近年来，国内外对单光子探测的研究不断深入，各个研究小组都提出了实用化的探测方案，商用化的单光子探测器也日渐成熟。瑞士日内瓦的Id quantique公司开发的 ID200系列产品是第一套成熟的稳定的基于InGaAs/InP 雪崩光电二极管（APD）单光子探测器，随后国内华东师范大学的研究小组和美国Princeton Lightwave公司也分别推出了自己的研究成果SPD3和PGA-600，为单光子探测器的大家庭增添了新的成员。这些探测器的信噪比高，工作稳定，在实用性和指标上各有千秋，唯一的不足是工作频率较低，最高的工作频率仅为8MHz，随着量子保密通信系统高速化方向的发展，这些产品已经很难满足现今的需求，高速的探测器的研发已经迫在眉睫。

单光子探测器一般工作门模式下，工作频率的提高，会使得由于APD容性效应充放电带来的尖峰噪声大幅度增大，同时雪崩的时间减少了，降低了雪崩幅度，使得雪崩信号难以从尖峰噪声中分辨出来。所以高速单光子探测的关键技术是如何从尖峰噪声中提起微弱的雪崩信号。当单光子探测器的工作频率到了几十兆赫兹以上，一般提取雪崩信号的方法有两种，一种是自平衡方法，一种是使用滤波的方法。自平衡的方法利用尖峰噪声的自相关性，将APD出来的响应信号分成两路，其中一路延时一个周期，两路响应信号相减，从而抵消尖峰噪声。平衡过程中雪崩信号也分成了两路，降低了雪崩幅度，不利于提高探测器的信噪比。滤波的方法则利用噪声频谱成分简单，容易滤去的特点，直接将噪声滤去，电路简单。但是在滤去噪声的同时，也滤去了雪崩信号相应的频谱成分，破坏了雪崩信号的完整性，多次滤波不仅会降低雪崩信号的幅度，也会增大单光子探测器的时间抖动。在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套的测量精度，使用多次滤波的方法时间抖动太大，难以满足测距的要求。

发明内容

    本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法，该方法利用低通滤波和平衡电路相结合的方式除去尖峰噪声，提取雪崩信号， 获得较高的探测效率，并且控制时间抖动在几十皮秒内。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法，该方法将单光子信号转换成雪崩电信号，然后将雪崩电信号提取出来转成数字信号输出，该方法的电路连接中至少包括：信号探测电路，用于将单光子信号转换成雪崩电信号；噪声抑制电路，连接信号探测电路，并将所述雪崩信号从尖峰噪声中提取出来；信号处理电路，将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号输出，其特征在于所述噪声抑制电路采用如下方法提取雪崩电信号：将吉赫兹的正弦信号分成两路，其中一路通过放大作为门信号加载在雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管的响应输出信号先输入至一个低通滤波器，然后将另一路正弦信号衰减到与经过低通滤波器的雪崩光电二极管响应信号的幅度相同，送入平衡电路与经过低通滤波的雪崩光电二极管响应信号平衡，从而除去尖峰噪声，提取雪崩电信号。

其特征在于，所述雪崩光电二极管工作在吉赫兹的正弦门模式下。

    本发明的优点在于，用低通滤波器与平衡电路相结合的方法，极大的提高了单光子探测器的信噪比，减少了时间抖动，与传统的正弦门相比，本发明减少了滤波器的使用，在保证尖峰噪声抑制比的情况下，最大限度的保持了雪崩信号的幅度和完整性，减少了时间抖动，同时，与传统的自平衡相比，最后平衡时雪崩信号没有被分成两路，保持了雪崩幅度，提高了信噪比。   

附图概述

附图1为本发明实施例的系统框图；

附图2为本发明实施例模拟电路原理图。

具体技术方案

    以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本发明采用吉赫兹（GHz）的正弦信号作为门信号加载在APD上，其重复频率为ω，经过APD后的门信号的频谱成分仅出现在ω、2ω、3ω等ω的整数倍上，同时雪崩信号的频谱成分大部分在GHz以下，故通过使用一个截止频率为ω的低通滤波器即可将噪声滤去提取雪崩信号。但是只用一个低通滤波器，尖峰噪声的抑制比不够，使用更多的低通滤波器，会提高抑制比，但是雪崩信号也会被衰减更多。由于经过低通滤波器的尖峰噪声信号几乎是重复频率为ω的正弦信号，与门信号相似，因此本发明将门信号分成两路，其中一路的幅度衰减到与经过低通滤波器的尖峰噪声的幅度相同，送入平衡电路，提取雪崩信号。提取出来的雪崩信号经过放大，比较，转换成数字信号，缓冲后送入计数器，进行计数。

    实施例：如图1-2所示，标号1-13分别表示：探测电路1、噪声抑制电路2、信号处理电路3、移相器4、射频放大器5、低通滤波器6、射频放大器7、比较器8、可调衰减器9、功率分束器10、正弦信号发生器11、高功率放大器12、带通滤波器13。

如图1所示，探测电路通过APD将单光子信号转换成电信号。转换的电信号中，雪崩信号湮没在由于APD的容性效应带来的尖峰噪声里，通过噪声抑制电路将雪崩信号提取出来。噪声抑制电路由低通滤波器和平衡电路组成，信号先通过低通滤波器再与衰减后的正弦信号平衡，除去噪声，提取雪崩信号。最后将提取出来的雪崩信号经过信号处理电路转换成数字信号，输出计数。

    本实施例的具体模拟电路原理如图2所示。正弦信号发生器11产生重复频率为ω的正弦信号，通过功率分束器10分成两等份。其中一份正弦信号经过高功率放大器12放大，通过一个带通滤波器13后作为门脉冲加载在APD上。正弦信号发生器产生的正弦信号幅度有限，经过一个高功率放大器12后，正弦信号的幅度调节范围更大，能够完全满足探测器最佳工作点所需的门脉冲幅度。经过高功率放大器12后，会产生其他频率的旁路噪声和谐振噪声，通过一个中心频率为ω的带通滤波器13滤去。调节APD两端的偏置电压使其工作在雪崩模式下，将光信号转化成雪崩信号。APD输出的雪崩信号湮没在尖峰噪声里，通过一个截止频率为ω的低通滤波器2滤去尖峰噪声。过滤后的APD 输出信号输入功率合束器3进行平衡。平衡电路的参考信号为衰减后的正弦信号，通过可调衰减器9使其幅度与过滤后的尖峰噪声相同，通过移相器4使二者的相位相差１８０°。经过功率合束器3后，尖峰噪声基本上被减少到热噪声水平，可以忽略不计，雪崩信号提取出来。经过两个射频放大器5、7进行放大后的雪崩信号经过比较器8后转换成数字信号，经过缓冲后即可送入计数器进行计数，实现单光子探测。两个射频放大器5、7之间加入一个截止频率为２ω的低通滤波器6可以避免这两个放大器5、7之间的串扰，影响信号。

    本发明由信号探测电路1、噪声抑制电路2、信号处理电路3构成。其中信号探测电路1将用APD将探测到的光信号转换成为雪崩电信号送入噪声抑制电路2，噪声抑制电路2抑制尖峰噪声，提取雪崩信号，最后提取出来的雪崩信号进入信号处理电路3，将模拟信号转换成数字信号进行计数。由于APD的容性效应，在将光信号转换成雪崩电信号的同时，也会产生尖峰噪声。通过使用一个低通滤波器2即可将噪声滤去提取雪崩信号。但是只用一个低通滤波器2，尖峰噪声的抑制比不够，所以将正弦门信号分成两路，其中一路的幅度衰减到与经过低通滤波的尖峰噪声的幅度相同，然后送入平衡电路与经过低通滤波的尖峰噪声平衡，提取雪崩信号。信号处理电路由信号放大、比较、缓冲、计数四部分构成，雪崩信号经过放大之后进入比较器8，由比较器8出来的信号经过缓冲之后进入计数器计数。

Claims (2)

1.一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法，该方法将单光子信号转换成雪崩电信号，然后将雪崩电信号提取出来转成数字信号输出，该方法的电路连接中至少包括：信号探测电路，用于将单光子信号转换成雪崩电信号；噪声抑制电路，连接信号探测电路，并将所述雪崩电信号从尖峰噪声中提取出来；信号处理电路，将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号输出，其特征在于所述噪声抑制电路采用如下方法提取雪崩电信号：将吉赫兹的正弦信号分成两路，其中一路通过放大作为门信号加载在雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管的响应输出信号先输入至一个低通滤波器，然后将另一路正弦信号衰减到与经过低通滤波器的雪崩光电二极管响应信号的幅度相同，送入平衡电路与经过低通滤波的雪崩光电二极管响应信号平衡，过滤后的输出信号输入功率合束器进行平衡，从而除去尖峰噪声，提取雪崩电信号。

2.根据权利要求1所述的一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法，其特征在于，所述雪崩光电二极管工作在吉赫兹的正弦门模式下。

Images