CN102980668A - 一种双极性偏压的单光子探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极性偏压的单光子探测方法，雪崩光电二极管工作在双极性偏置下，利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性的直流偏压，加载在雪崩光电二极管两端，通过噪声平衡抑制电路实现尖峰噪声平衡抑制，通过信号甄别提取电路完成单光子雪崩信号的鉴别提取。本发明的目的是通过采用双极性门脉冲配合双极性直流偏压来激励雪崩光电二极管，并对正负两部分雪崩信号进行探测，正负门脉冲偏压等效与在APD上加置二个门脉冲绝对幅值之和的单极偏压，有利于在较低的直流偏置电压和较高的门脉冲幅度下激励APD的单光子雪崩，从而减低暗计数和后脉冲的影响，提高探测效率和单光子探测器的工作频率。

Description

一种双极性偏压的单光子探测方法

[技术领域]

本发明涉及单光子灵敏探测技术，具体涉及一种利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性偏压实现高速近红外单光子探测的方法。

[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；同时近红外单光子探测器在激光测距，灵敏红外光谱检测方面也有着重要的应用。因此如何提高单光子探测器的工作频率、量子效率、降低探测器的噪声成为现阶段众多学科和领域的热门课题。

在单光子探测中，雪崩光电二极管APD一般是工作在所谓的“门模式”下，在这种模式中，APD的偏置电压只会在有可能由光子到达的很短的一个时间内高于雪崩电压，在其他时间偏置电压都将低于雪崩电压。由于APD只有在有可能有光子到达的时候才会处于工作状态，因此在其他时间APD的增益系数比较低，产生的噪声信号很低，也不会因为噪声信号导致APD处于“死状态”而不能探测真正的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因为光路信息是已知的，即光子到达探测器的时间也是可以预测的，所以“门模式”的APD在量子保密通信系统中得到了非常广泛的应用。

相对于传统的被动抑制和主动抑制电路，“门模式”有着显著的优点。在被动抑制电路中，对雪崩电流的释放是通过串联一个电阻来完成的。APD的恢复时间由APD的分布电容和串联电阻的大小决定，通常情况下，串联电阻的大小都在数十千欧姆量级，使得恢复时间较长，因此，采用被动抑制电路的单光子探测速率较低。

而在主动抑制的电路中，利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，在一次雪崩产生之后，迅速做出反应，形成一个电压脉冲，将APD的阴极电压拉低，使得雪崩在很短的时间内得到抑制。由于采用了迅速关断的方式，主动抑制电路克服了被动抑制电路恢复时间长的缺点，而且雪崩时间短，后脉冲概率较低。但是由于没有光子时，APD仍处于盖格模式，使得主动抑制电路下暗计数相对于后面介绍的门脉冲模式较高。主动抑制电路通常用于连续探测模式的单光子探测。

因此，有必要解决如上问题。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种双极性偏压的单光子探测方法，来实现高速高效的单光子探测，其采用双极性门脉冲配合双极性直流偏压来激励雪崩光电二极管，并对正负两部分雪崩信号进行探测，正负门脉冲偏压等效与在APD上加置二个门脉冲绝对幅值之和的单极偏压，有利于在较低的直流偏置电压和较高的门脉冲幅度下激励APD的单光子雪崩，从而减低暗计数和后脉冲的影响，提高探测效率和单光子探测器的工作频率。

另一方面，通过精密控制双极性门脉冲的相对延时，也可方便地调节尖锋噪声的幅值，有利于进一步提升尖锋噪声的抑制比。相对较低的双极性门脉冲配合双极性直流偏压，在降低单光子符合计数的超短脉冲门设计的苛刻要求同时，也提升了单光子探测器件的在各种不同运行条件下的长期稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种双极性偏压的单光子探测方法，雪崩光电二极管工作在双极性偏置下，利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性的直流偏压，加载在雪崩光电二极管两端，通过噪声平衡抑制电路实现尖峰噪声平衡抑制，通过信号甄别提取电路完成单光子雪崩信号的鉴别提取。

如上所述，正负双极性的门脉冲其波形与相对延时精确可调。

如上所述，正负双极性的直流偏压精确可调。

本发明的有益效果是：

1、利用正负双极性的门脉冲替代传统的单极性门脉冲，配合正负双极性的直流偏压，加载在雪崩光电二极管两端，降低对门脉冲的要求，有利于在较低的直流偏置电压和较高的门脉冲幅度下激励APD的单光子雪崩，提高探测效率和单光子探测器的工作频率。

2、用正负双极性门脉冲去代替传统的单门脉冲模式，双极性门加载在雪崩光电管上可以等效为一个幅度为两个门幅度的绝对值叠加，从而能轻松的获得高幅度的门脉冲，并且在在探测效率基本不变的情况下所需的直流偏置会更低，这就能很好的抑制暗计数率和后脉冲概率，使得探测器的性能进一步提高。

3、相对较低的双极性门脉冲配合双极性直流偏压，有利于提升单光子探测器件在各种不同运行条件下的长期稳定性。

4、雪崩光电二极管双极性偏压脉冲其波形与相对延时可精确调控，正负双极性的直流偏压精确可调，通过精确调节正负两脉冲之间的延时和相对宽度，可以使得等效后的门脉冲具有更加平缓的上升沿，从而令APD响应的容性噪声相对减小，降低后级噪声平衡电路的难度，提高平衡效果。

5、雪崩光电二极管双极性偏压脉冲的工作重复频率可根据特定应用需要从低频到高频进行调谐，适用于多种实际应用。

[附图说明]

图1是本发明示意图。

图2是本发明的正负双极性脉冲等效为一个幅度更高的门脉冲示意图。

图3是本发明优化调节正负脉冲延时与宽度。

[具体实施方式]

下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：

如图1所示，正负双极性的门脉冲3、双极性偏压2共同加载在雪崩光电二极管D3两端，从而雪崩光电二极管D3工作在双极性偏置下，利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性的直流偏压，并通过噪声平衡抑制电路实现尖峰噪声平衡抑制，通过信号甄别提取电路完成单光子雪崩信号的鉴别提取。

如图2所示，本发明的核心思想就是用正负双极性门脉冲去代替传统的单门脉冲模式，双极性门加载在雪崩光电管上可以等效为一个幅度为两个门幅度的绝对值叠加，从而能轻松的获得高幅度的门脉冲，在探测效率基本不变的情况下所需的直流偏置会更低，这就能很好的抑制暗计数率和后脉冲概率，使得探测器的性能进一步提高。

如图3所示，通过精确调节正负两脉冲之间的延时和相对宽度，可以使得等效后的门脉冲具有更加平缓的上升沿，从而令APD响应的容性噪声相对减小，降低后级噪声平衡电路的难度，提高平衡效果。

如上所述，本发明保护的是一种双极性偏压的单光子探测方法，其采用双极性门脉冲配合双极性直流偏压来激励雪崩光电二极管，并对正负两部分雪崩信号进行探测，正负门脉冲偏压等效与在APD上加置二个门脉冲绝对幅值之和的单极偏压，有利于在较低的直流偏置电压和较高的门脉冲幅度下激励APD的单光子雪崩，从而减低暗计数和后脉冲的影响，提高探测效率和单光子探测器的工作频率；另一方面，通过精密控制双极性门脉冲的相对延时，也可方便地调节尖锋噪声的幅值，有利于进一步提升尖锋噪声的抑制比。相对较低的双极性门脉冲配合双极性直流偏压，在降低单光子符合计数的超短脉冲门设计的苛刻要求同时，也提升了单光子探测器件的在各种不同运行条件下的长期稳定性。一切与本发明相同或相近的技术方案都示为落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双极性偏压的单光子探测方法，其特征在于：雪崩光电二极管工作在双极性偏置下，利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性的直流偏压，加载在雪崩光电二极管两端，通过噪声平衡抑制电路实现尖峰噪声平衡抑制，通过信号甄别提取电路完成单光子雪崩信号的鉴别提取。

2.根据权利要求1所述的一种双极性偏压的单光子探测方法，其特征在于所述正负双极性的门脉冲其波形与相对延时精确可调。

3.根据权利要求1所述的一种双极性偏压的单光子探测方法，其特征在于所述正负双极性的直流偏压精确可调。

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