CN102980669B - 双极性自平衡apd单光子探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于包括有雪崩光电管电路，正负双极性偏压产生电路，双极性门脉冲产生电路，传输线变压器电路，自差分噪声消除电路，宽带放大器电路，以及高速比较器电路。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

双极性自平衡APD单光子探测系统

[技术领域]

本发明涉及高灵敏高速光电探测类，具体涉及双极性自平衡APD单光子探测系统。

[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，尤其是在量子保密通信中。作为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低损耗窗口即850nm、1310nm、1550nm中实现单光子探测。在通信的这三个窗口，单光子的能量都在10E-19焦耳量级，达到探测器探测灵敏度的极限。在继续研制和开发有更高灵敏度的新型结构的光探测器的同时，研究发现和改进APD的控制驱动技术，用市场上现有的APD也能实现单光子探测。目前世界上成功实现的量子保密通信系统是靠改进APD控制驱动技术实现的。

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，门模式的基本思想是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。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，所以门控模式的APD在量子保密通信系统中得到了非常广泛的应用。

但是随着工作频率的提高，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，一种是正弦滤波的方法。正弦滤波的方法加载的门脉冲为正弦信号，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。

自平衡的方法，对具体门脉冲波形无要求，主要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。但是在平衡过程中，尖峰噪声两路信号的延时和幅度不易精确调节控制，噪声的抑制比较低，约为15dB。为了提高信噪比，需提高雪崩信号的幅度，只能提高直流偏置或者门脉冲信号，但是，同时也对导致后脉冲计数和暗计数增大，不利于提高整个探测模块的性能，难以满足实际应用的需求。

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，提供了双极性自平衡APD单光子探测系统，来实现高速高效的单光子探测，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，由正负双极性脉冲经过APD激发出的容性噪声分别通过长短延时线使得相邻一个周期的信号进行消噪，由于相邻两周期同时发生雪崩的概率几乎为零，因而相邻两周期的信号进行相减后，抵消门脉冲加载在APD上的容性噪声，这样雪崩信号就被很好的显露出来。

以及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：

双极性自平衡APD单光子探测系统，包括有用于感应外来极弱光的雪崩光电管电路1，所述雪崩光电管电路1两端并联有用于提供正负双极性高偏压的正负双极性偏压产生电路2和用于提供双极性门脉冲的双极性门脉冲产生电路3，所述雪崩光电管电路1输出端顺次连接有用于隔离取样的传输线变压器电路4、用于消除信号容性噪声的自差分噪声消除电路5、用于信号放大的宽带放大器电路6、以及用于雪崩鉴别的高速比较器电路7。

所述雪崩光电管电路1包括有雪崩光电管D3和取样电阻R36,所述雪崩光电管D3正极与取样电阻R36一端连接，所述雪崩光电管D3负极与双极性偏压产生电路2一输出端、双极性门脉冲产生电路3一输出端相连接，所述取样电阻R36另一端与双极性偏压产生电路2另一输出端、双极性门脉冲产生电路3另一输出端相连接，所述取样电阻R36两端作为雪崩光电管电路1信号输出端与传输线变压器电路4连接。

所述正负双极性偏压产生电路2为可提供正负双极性高压的外部可控电源。

所述双极性门脉冲产生电路3包括有顺次连接的时钟脉冲发生器30、微分电路31、用于在特定的比较阈值情况下输出正负双极性脉冲的高速比较器电路32、用于对比较后输出的两路脉冲的宽度进行压缩的脉冲压缩电路33、用于对两路压宿后脉冲的幅度进行放大的放大器电路34、以及用于将脉冲的基准电平钳位在零点位的钳位电路35，经过钳位电路35钳位后的正负两路门脉冲加载在雪崩光电管电路1两端。

所述自差分噪声消除电路5包括有用于将输入信号分成相同两束信号的功分器50和用于容性噪声抵消的合束器53，所述功分器50两输出端与合束器53两输入端之间对应连接有互相相差一个时钟周期的第一延时线51和第二延时线52。

所述宽带放大器电路6采用宽带放大器THS3201。

所述高速比较器电路7采用比较器ADCMP572。

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、通过精确调节双极输出信号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响应的尖峰噪声相对减小，在抑制比相同的条件下，提高信噪比。

4、由正负双极性脉冲经过APD激发出的容性噪声分别通过长短延时线使得相邻一个周期的信号进行消噪，由于相邻两周期同时发生雪崩的概率几乎为零，因而相邻两周期的信号进行相减后，抵消门脉冲加载在APD上的容性噪声，这样雪崩信号就被很好的显露出来。

5、雪崩光电二极管双极性偏压门的脉冲幅度以及相关的双极性直流偏压分别精确可调，调控差分自平衡的控制精度，从而提高探测器的信噪比。

6、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是本发明的系统结构方框图。

图2是本发明的双极性脉冲产生原理图。

图3是本发明的雪崩信号提取原理图。

图4是本发明的双极性门脉冲产生电路电路图。

图5是本发明的雪崩信号提取电路电路图。

[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，双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于包括有用于感应外来极弱光的雪崩光电管电路1，所述雪崩光电管电路1两端并联有用于提供正负双极性高偏压的正负双极性偏压产生电路2和用于提供双极性门脉冲的双极性门脉冲产生电路3，所述雪崩光电管电路1输出端顺次连接有用于隔离取样的传输线变压器电路4、用于消除信号容性噪声的自差分噪声消除电路5、用于信号放大的宽带放大器电路6、以及用于雪崩鉴别的高速比较器电路7。

本发明的核心思想就是雪崩信号提取采用自差分平衡模块，可以实现高速门模式下雪崩信号的有效提取，同时自差分门模块对门脉冲波形不特殊要求，适用范围广。但是在平衡过程中，尖峰噪声两路信号的延时和幅度不易精确调节控制，噪声的抑制比约为15dB。为了提高信噪比，需提高直流偏置或者门脉冲信号，但是，同时也对导致后脉冲计数和暗计数增大，不利于提高整个探测模块的性能。故本发明采用双极性自平衡的方法，即加载在APD上的门脉冲和直流偏置均为双极性的。

如图2所示为本发明的双极性脉冲产生原理图，所述双极性门脉冲产生电路3包括有顺次连接的时钟脉冲发生器30、微分电路31、用于在特定的比较阈值情况下输出正负双极性脉冲的高速比较器电路32、用于对脉冲宽度进行压缩的脉冲压缩电路33、用于对脉冲幅度进行放大的放大器电路34、以及用于将脉冲的基准电平钳位在零点位的钳位电路35。

如图4是本发明的双极性门脉冲产生电路电路图，其中，时钟脉冲发生器30时钟信号通过C2和R10组成的微分电路31形成微分信号再进入高速比较器AD96685BR的正相输入端，其反相输入端由外部提供的精准电压作为比较阈值，可以由电阻分压获得，也可以由电压源提供，比较器输出的脉冲宽度就是由比较阈值决定。比较器有两相输出Q和为对称的、正负相反的脉冲，它们分别通过两个相同的脉冲压缩电路，其中一路由电阻R2、R3、R4、R5,固定电容C1和可调电容C9组成，另一路由电阻R12、R13、R15、R16,固定电容C5和可调电容C10组成。压缩后的两路脉冲再分别通过放大电路提高其幅度，其中一路由宽带放大器AD8009和电阻R1、R6、R7组成，另一路由另一个宽带放大器AD8009和电阻R9、R17、R18组成，最终输出A、B两路窄脉冲，然后，A、B两路双极性门脉冲经过由肖特基二极管D1、D2和电容C8、C6组成的钳位电路，将其基准电平钳制在零点位。

如上所述，输入的时钟信号经过微分电路31微分之后进入高速比较器，在特定的比较阈值情况下高速比较器就输出了正负双极性窄脉冲，再通过脉冲压缩电路和放大器形成了具有一定幅度的超窄脉冲，通过精确调节双极输出信号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响应的尖峰噪声相对减小，在抑制比相同的条件下，提高信噪比。

图3是本发明的雪崩信号提取原理图，所述自差分噪声消除电路5包括有用于将输入信号分成相同两束信号的功分器50和用于容性噪声抵消的合束器53，所述功分器50两输出端与合束器53两输入端之间对应连接有互相相差一个时钟周期的第一延时线51和第二延时线52。

如上所述，由正负双极性脉冲经过APD激发出的容性噪声分别通过长短延时线使得相邻一个周期的信号进行消噪，再经放大并送到高速比较器进行雪崩鉴别，最后得到最终的雪崩信号输出。

如图5所示为本发明的雪崩信号提取电路电路图，VCC和VEE是由外部可控电源提供的正负双极性高压，他们分别通过限流电阻R21和R41与两门脉冲汇合，共同加载在雪崩光电二极管APD两端，R36是取样电阻，用于将APD产生的雪崩电流转变为电压，然后通过1：1传输线变压器将信号传输到后级，再由功分器50将其等功率分为相同的两束信号，分别通过相差一个时钟周期的两路延时线进行合束，由于相邻两周期同时发生雪崩的概率几乎为零，因而相邻两周期的信号进行相减后，理想状态下能完全抵消门脉冲加载在APD上的容性噪声，这样雪崩信号就能被提取出来了。

消除噪声后的雪崩信号再通过放大器THS3201放大后通过比较器ADCMP572，就能将残余的噪声彻底去除干净，从而得到高效的单光子计数。

如上所述，本发明保护的是一种高速高效的单光子探测技术和APD激励模块，该模块摒弃了传统的单极性偏压的雪崩模式，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。一切与本发明结构相同以及是本发明具体电路的等同变换的技术方案都认为落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于包括有用于感应外来极弱光的雪崩光电管电路（1），所述雪崩光电管电路（1）两端并联有用于提供正负双极性高偏压的正负双极性偏压产生电路（2）和用于提供双极性门脉冲的双极性门脉冲产生电路（3），所述雪崩光电管电路（1）输出端顺次连接有用于隔离取样的传输线变压器电路（4）、用于消除信号容性噪声的自差分噪声消除电路（5）、用于信号放大的宽带放大器电路（6）、以及用于雪崩鉴别的高速比较器电路（7）。

2.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述雪崩光电管电路（1）包括有雪崩光电管D3和取样电阻R36,所述雪崩光电管D3正极与取样电阻R36一端连接，所述雪崩光电管D3负极与双极性偏压产生电路（2）一输出端、双极性门脉冲产生电路（3）一输出端相连接，所述取样电阻R36另一端与双极性偏压产生电路（2）另一输出端、双极性门脉冲产生电路（3）另一输出端相连接，所述取样电阻R36两端作为雪崩光电管电路（1）信号输出端与传输线变压器电路（4）连接。

3.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述正负双极性偏压产生电路（2）为可提供正负双极性高压的外部可控电源。

4.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述双极性门脉冲产生电路（3）包括有顺次连接的时钟脉冲发生器（30）、微分电路（31）、用于在特定的比较阈值情况下输出正负双极性脉冲的高速比较器电路（32）、用于对比较后输出的两路脉冲的宽度进行压缩的脉冲压缩电路（33）、用于对两路压宿后脉冲的幅度进行放大的放大器电路（34）、以及用于将脉冲的基准电平钳位在零点位的钳位电路（35），经过钳位电路（35）钳位后的正负两路门脉冲加载在雪崩光电管电路（1）两端。

5.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述自差分噪声消除电路（5）包括有用于将输入信号分成相同两束信号的功分器（50）和用于容性噪声抵消的合束器（53），所述功分器（50）两输出端与合束器（53）两输入端之间对应连接有互相相差一个时钟周期的第一延时线（51）和第二延时线（52）。

6.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述宽带放大器电路（6）采用宽带放大器THS3201。

7.根据权利要求1所述的双极性自平衡APD单光子探测系统，其特征在于所述高速比较器电路（7）采用比较器ADCMP572。