CN102735351B

CN102735351B - 一种单光子探测器电路及其探测方法

Info

Publication number: CN102735351B
Application number: CN201210215337.5A
Authority: CN
Inventors: 魏正军; 王金东; 张智明; 郭健平
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: CN102735351A

Abstract

本发明公开一种单光子探测器电路及其探测方法，单光子探测器电路采用速度高于常规门控单光子探测器的高速放大器，使得门控脉冲产生的电尖峰和雪崩信号在时域上可以被分离，再通过高速比较器，能够在亚纳秒的时间间隔内，对电尖峰和雪崩信号分别响应，产生脉冲输出，最后通过高速计数器，根据脉冲数目，判断有没有雪崩信号产生，从而进行单光子信号的甄别。本发明的优点在于结构简单，可以分离出原始的雪崩信号，充分利用了雪崩信号，单光子探测效率高。

Description

一种单光子探测器电路及其探测方法

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别的是涉及一种单光子探测器电路及其探测方法。

背景技术

单光子探测技术在量子密钥分发系统、高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

在单光子探测的实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管（APD）作为探测器件的方案。当APD的工作电压逐渐逼近雪崩击穿电压时，理论上雪崩倍增因子M将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M到1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即当APD工作电压高于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M才能大到足以产生一个巨观的脉冲，用于单光子的甄别。在盖革模式下，必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩持续下去，探测器无法接收下一个光子。根据抑制雪崩的方式的不同，单光子探测器中的APD的工作模式有三种：无源抑制、有源抑制和门控模式。因为InGaAs/InP APD的后脉冲问题，目前用于红外波段的单光子探测的APD都是采用门控模式的偏置方式。门控模式的基本原理如图1所示，直流偏压+VA通过电阻RL加载到APD的阴极，使它被偏置于雪崩电压之下。只有当光信号到达时，才通过一个门控脉冲Vg使APD的偏置电压高于雪崩击穿电压，从而获得足够大的增益，进行单光子探测。APD的雪崩电流在负载电阻Rs上产生输出信号电压，供后级电路处理。

门控模式能够很好的减少暗计数和抑制后脉冲问题，但是，由于高速的门控脉冲通过APD的结电容耦合到负载电阻上，在门控脉冲的上升和下降沿分别产生正负的电尖峰。正的电尖峰幅度可能超过幅度甄别器的阈值，导致错误的计数。为了避免这一问题，必须提高幅度甄别器的阈值。由于APD输出的雪崩脉冲的幅度分布大多在幅度比较低的区域，提高幅度甄别器的阈值将导致探测效率的降低。虽然提高APD的偏置电压可以提高雪崩脉冲的幅度，但是偏置电压越高，暗计数率和后脉冲率越高，所以电尖峰的存在，不可避免地降低了单光子探测器的性能。

为了消除门控噪声的影响，国内外的研究者提出了很多种方案，主要有：电容差分相消法，同轴电缆脉冲叠加相消法，APD平衡相消法，高频变压器法，同步门电路法，放电脉冲检测法，正弦波门控脉冲法，积分门控方案和自差分方案。这些方法都是对电尖峰和雪崩信号进行一些处理，以达到减弱或消除电尖峰的效果，而这些方法均有可能引入新的噪声和引起雪崩信号的失真。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种单光子探测器电路及其探测方法。通过高速放大器，使得原先混叠在一起的门控脉冲产生的电尖峰和雪崩信号能够在时域上被分离，从而得到原始的雪崩信号，简单的解决门控脉冲产生的电尖峰问题的脉冲分离单光子探测器。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种单光子探测器电路，包括偏置电压单元、脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过第一电阻R1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，脉冲发生器通过第一电容C1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极接负载电阻RL；单光子探测器电路还包括与雪崩光电二极管APD的阳极顺次连接的高速放大器、高速比较器和高速计数器。

所述高速放大器的带宽的下限范围为：0.35至3.5GHz。带宽范围是通过以下方式确定：0.35 除以门控脉冲的上升或下降时间的最小值作为带宽下限，高速放大器的带宽必须大于带宽下限，才能实现脉冲分离。放大器带宽越大越好，能够实现的高速放大器带宽上限是10GHz。通常门控脉冲的上升或下降时间在100ps到1ns之间，对应的高速放大器的带宽的下限范围为：3.5GHz至0.35GHz。高速放大器用于使得脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号在时域上被分离。

所述高速比较器的响应时间为小于门控脉冲发生器产生的门控脉冲的上升或下降时间最小值，即当门控脉冲发生器产生的门控脉冲的上升时间小于下降时间，则响应时间必须小于门控脉冲的上升时间；否则必须小于门控脉冲的下降时间，比较器响应时间越小越好，它的最小值只是受实际器件性能的制约，通常能够实现的最短响应时间为100ps。高速比较器的响应时间通常在100ps至1ns之间，用于响应门控脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号。

本发明又是提出一种单光子探测器电路的探测方法，包括以下步骤：

1）雪崩光电二极管APD通过偏置电压单元，被偏置在雪崩电压之下；

2）来自脉冲发生器的门控电压与输入的光脉冲同步，通过第一电容C1耦合到雪崩光电二极管APD的阴极，使在有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上；

3）脉冲发生器产生的电尖峰与雪崩信号通过高速放大器放大，再通过高速比较器进行幅度鉴别，产生一个或两个脉冲输出；

4）高速计数器根据高速比较器的鉴别结果，获取脉冲数目，判断有无雪崩信号的产生，从而进行单光子信号的甄别。

步骤4）所述单光子信号的甄别的条件为：高速计数器的计数值为1时，没有探测到光子；当高速计数器的计数值为2时候，探测到光子。

所述高速比较器的阈值电平低于门控脉冲产生的电尖峰的幅度。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益技术效果：

（1）因为采用了超高速的宽带放大器，足够高的带宽保证了高速的雪崩信号不被衰减，因而探测效率得到了提高。本发明单光子探测器中，电尖峰和雪崩信号脉冲本来在时域上是分开的。但是，因为现有的单光子探测器所采用的放大器的带宽不够，电尖峰和雪崩信号的脉冲宽度被宽展了，导致它们叠加在一起，当带宽足够宽时，它们不被宽展，自然就能够分开了。

（2）本发明利用超高速放大器把雪崩信号和电尖峰噪声在时域上分开，因此雪崩信号没有失真，没有附加的噪声。

（3）因为雪崩信号和电尖峰噪声在时域上被分开，所以比较器的阈值电平低于电尖峰的幅度，提高了探测效率。

附图说明

图1是现有技术中门控模式单光子探测器的原理图；

图2是本发明脉冲分离单光子探测器的结构示意图；

图3是本发明脉冲分离单光子探测器的信号波形；

图4是本发明脉冲分离单光子探测器的实施电路图。

具体实施方式

本发明脉冲分离单光子探测器的结构示意图如图2所示，直流偏压单元V_DC通过第一电阻R1与雪崩光电二极管APD阴极连接，脉冲发生器通过第一电容C1与雪崩光电二极管APD阴极连接，雪崩光电二极管APD阳极通过负载电阻R6接地，雪崩光电二极管APD阳极还依次与高速放大器、高速比较器和高速计数器串接。在本实施例中，脉冲发生器为门控脉冲发生器，门控脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号被高速放大器放大，再通过高速比较器，产生脉冲输出，最后通过高速计数器，根据脉冲数目，判断有没有雪崩信号产生，从而进行单光子信号的甄别。

高速是指放大器、比较器和计数器的响应速度足够快，能够使电尖峰和雪崩信号在时域上分离。这些电路的具体速度根据实施情况而变。例如，通常门控脉冲在纳秒的级别，电尖峰的半高宽约为100-500ps，雪崩脉冲的半高宽约为500ps，所以要求电路的速度都超过1GHz。

一般而言，雪崩光电二极管APD通过直流偏压单元，被偏置在雪崩电压之下，来自脉冲发生器的门控电压与输入光脉冲同步，通过第一电容C₁耦合到雪崩光电二极管APD的阴极，使其在有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上。这样，雪崩光电二极管APD吸收一个光子，就能够形成一个巨观的电脉冲。在探测过程中，雪崩光电二极管APD的负载电阻R6上的电压波形如图3顶部的曲线所示；图3中顶部的曲线是门控脉冲信号波形，第二条曲线是APD的输出信号波形，第三条曲线是高速比较器的输出信号波形。当没有雪崩的时候，APD的输出信号只有电尖峰超过高速比较器的阈值电平，使高速比较器翻转（为了提高探测效率，高速比较器的甄别电平都比电尖峰低），高速比较器输出一个脉冲，高速计数器的计数值为1；当有雪崩信号的时候，电尖峰和雪崩脉冲都超过高速比较器的阈值电平，如图中第二条曲线的虚线所示，从而分别使高速比较器翻转一次，高速比较器输出两个脉冲，高速计数器的计数值为2。所以，高速计数器输出为1的时候，表示没有光子到达，高速计数器输出为2的时候表示探测到光子。

以下通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但需要说明的是具体实施方式并不构成对本发明要求保护范围的限制。

实施实例

如图4所示，一种脉冲分离单光子探测器包括第一电阻R1~ 第十电阻R10、第一电容C1~第四电容C4、电感L1、雪崩光电二极管APD、ADI公司的高速放大器ADL5541、ADI公司的高速比较器ADCMP553和ONSEMI公司的高速计数器MC100EP016。

APD通过直流偏压单元VDC，被偏置在雪崩电压之下，门控电压与输入光脉冲同步，通过第一电容C1耦合到APD的阴极，使其在有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上。门控脉冲产生的电尖峰与雪崩信号通过高速放大器ADL5541放大，再通过高速比较器ADCMP553进行幅度鉴别，产生一个或两个脉冲输出；鉴别的结果由计数器MC100EP016计数，根据脉冲数目，判断有没有雪崩信号产生，从而进行单光子信号的甄别。

Claims

1.一种单光子探测器电路，包括偏置电压单元、门控脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过第一电阻R1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，门控脉冲发生器通过第一电容C1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极接负载电阻RL；其特征在于还包括与雪崩光电二极管APD的阳极顺次连接的高速放大器、高速比较器和高速计数器；

所述高速比较器的响应时间为：小于门控脉冲发生器产生的门控脉冲的最快上升或下降时间，高速比较器用于响应门控脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号；

所述高速放大器的带宽下限范围为：0.35GHz至3.5GHz，高速放大器用于使得门控脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号在时域上被分离。

2.根据权利要求1所述单光子探测器电路的探测方法，其特征在于包括以下步骤：

2）来自门控脉冲发生器的门控电压与输入的光脉冲同步，通过第一电容C1耦合到雪崩光电二极管APD的阴极，使在有光信号到达时，偏置电压达到雪崩电压之上；

3）门控脉冲发生器产生的电尖峰与雪崩信号通过高速放大器放大，再通过高速比较器进行幅度鉴别，产生一个或两个脉冲输出；

3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于步骤4）所述单光子信号的甄别的条件为：高速计数器的计数值为1时，没有探测到光子；当高速计数器的计数值为2时候，探测到光子。

4.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于所述高速比较器的阈值电平低于门控脉冲发生器产生的电尖峰的幅度。