CN102980670A - 一种级联的单光子探测的噪声抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，包括有用于从雪崩光电二极管APD采集信号的取样电阻，在取样电阻上顺次级联有多个噪声抑制平衡模块，每个噪声抑制平衡模块包括将取样电阻采集的信号或上一级噪声抑制平衡模块输出的信号分成两路相同信号的信号分配器，在信号分配器的两个信号输出端分别接有两段不同长度的第一电缆和第二电缆，信号分配器输出的两路信号经过第一电缆和第二电缆后在时间上相差一个信号重复周期，所述第一电缆和第二电缆的另一端接有将第一电缆和第二电缆传送来的两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号的减法器，该减法器的输出端作为噪声抑制平衡模块的输出端。该装置能够在高重复频率下对雪崩光电二极管的尖峰噪声进行抑制，采用级联方式提高信噪比，使得信噪比达到最优。

Description

一种级联的单光子探测的噪声抑制装置

[技术领域]

本发明涉及一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，属于红外灵敏探测和量子保密通信领域。

[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，APD(雪崩光电二极管)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。但是由于APD是容性器件，门脉冲会通过APD的结电容在取样电阻上产生一个微分信号，称之为尖峰噪声，尖峰噪声的幅度随着重复频率的提高而增大，成为掩盖雪崩信号最主要的噪声，如何抑制门脉冲产生的尖峰噪声，提取雪崩信号是单光子探测重点研究的技术之一。

在诸多单光子探测噪声抑制技术中，常见的方案主要有如下几种：

1.提高APD的偏置电压或者门脉冲幅度，使得APD的雪崩增益提高，产生的雪崩脉冲高于尖峰噪声的幅度。这种方法最简单最直接，但是有两个缺点：一是仅适用于量子效率较高的场合，二是雪崩增益的提高导致后脉冲噪声的提高。

2.负脉冲甄别方法，利用雪崩击穿时雪崩脉冲电流和尖峰脉冲电流的正负抵消作用，探测输出的负半周信号实现雪崩信号的甄别。这种方法对电路设计要求较高，阻抗失匹和高频噪声的干扰均会影响信噪比。

3.平衡的方法，核心思想是生成与尖峰噪声相类似的共模信号，通过差模网络抵消共模信号，提取雪崩信号。平衡的方法是现今单光子探测中最普遍采用和效果最好的一种方法。电路实现简单，对尖峰噪声的抑制比高，国际上多个研究小组提出了各自不同的平衡方法，具有代表性的有：同轴电缆反射平衡方法、双APD平衡方法等。这些方法通常能够将APD的尖峰噪声抑制20dB左右。

由于现在单光子探测技术正向高重复频率、高探测效率的方向发展，在高的重复频率下，信噪比迅速下降，对噪声抑制提出了更高的要求，尤其是在光子数可分辨的灵敏探测研究领域，现有的噪声抑制方法是远不能满足其要求的。

[发明内容]

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，该装置能够在高重复频率下对雪崩光电二极管的尖峰噪声进行抑制，采用级联方式提高信噪比，使得信噪比达到最优。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，包括有用于从雪崩光电二极管APD采集信号的取样电阻，在取样电阻上顺次级联有多个噪声抑制平衡模块，每个噪声抑制平衡模块包括将取样电阻采集的信号或上一级噪声抑制平衡模块输出的信号分成两路相同信号的信号分配器，在信号分配器的两个信号输出端分别接有两段不同长度的第一电缆和第二电缆，信号分配器输出的两路信号经过第一电缆和第二电缆后在时间上相差一个信号重复周期，所述第一电缆和第二电缆的另一端接有将第一电缆和第二电缆传送来的两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号的减法器，该减法器的输出端作为噪声抑制平衡模块的输出端。

所述噪声抑制平衡模块的工作频率范围是100MHz到2.5GHz。

所述雪崩光电二极管工作在饱和式盖格模式或亚饱和的非线性增益模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将从雪崩光电二极管采集的信号分成相同的两路信号，利用了噪声的相关性使噪声与噪声相减，在源头上保证了在零度减法器两个输入端噪声的高保真以获得高抑制比，同时采用级联多次进行抑制使得装置整体的信噪比得到很大的提高。

2、本噪声抑制装置的噪声抑制比很大，可轻松达到50dB。即使尖峰噪声增大了，亦可对其进行有效地抑制，实现高效的单光子探测，这样，可以提高加载在APD上的门脉冲幅度，相应地直流偏置就可以降低，有效地抑制雪崩光电二极管的后脉冲影响，最终提高单光子探测的有效饱和计数率。

3、当雪崩光电二极管工作在饱和式盖格模式，降低单光子雪崩信号的鉴别电压，掩埋于噪声中的光子雪崩信号可以高信噪比地鉴别，提高本噪声抑制装置的量子效率。

4、由于高信噪比的实现，通过级联的方法，雪崩光电二极管可以在亚饱和模式下实现单光子的有效探测，为实现单光子的光子数可分辨性能提供了有力地保障。

5、本噪声抑制装置适用于高门脉冲驱动的尖锋噪声抑制，从而可以使单光子探测器工作在较高的门脉冲驱动，降低雪崩光电二级管上的直流偏置电压，有效地抑制雪崩光电二极管的后脉冲影响，提高单光子探测的有效饱和计数率。

6、本噪声抑制装置的工作频率可以根据需要调谐，调节时只需要改变延时线的长短即可，十分简单异行。这种方案可以工作100MHz到2.5GHz的频率范围，特别适合工作在高频范畴。

[附图说明]

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的信号流程图。

[具体实施方式]

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明：

参见图1，公开一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，包括有用于从雪崩光电二极管APD采集信号的取样电阻1，在取样电阻1上顺次级联有多个噪声抑制平衡模块2，每个噪声抑制平衡模块2包括将取样电阻1采集的信号或上一级噪声抑制平衡模块2输出的信号分成两路相同信号的信号分配器3，在信号分配器3的两个信号输出端分别接有两段不同长度的第一电缆4和第二电缆5，信号分配器3输出的两路信号经过第一电缆4和第二电缆5后在时间上相差一个信号重复周期，使得相邻两个周期的信号相位对齐。所述第一电缆4和第二电缆5的另一端接有将第一电缆4和第二电缆5传送来的两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号的减法器6，减法器6采用零度减法器，其输出端作为噪声抑制平衡模块2的输出端。

由于第一电缆4和第二电缆5输给零度减法器6的信号具有相邻两个周期尖峰噪声的相关性，使得相邻的尖峰噪声信号有着几乎完全一样的波形（频谱近似相同，每一个频率项的幅度和相位近似相同），第一电缆4和第二电缆5输送来的两路信号在零度减法器6中相减后，噪声能够得到极大的抑制。采用级联的方法使输出的信号，再经过多组相同结构的噪声抑制平衡模块2，使噪声进行多次抑制，不断提升系统的信噪比。

所述噪声抑制平衡模块2的工作频率范围是100MHz到2.5GHz。

所述雪崩光电二极管工作在饱和式盖格模式或亚饱和的非线性增益模式。

如图2，取样电阻1从雪崩光电二极管APD采集的带有尖峰噪声信号的雪崩信号a,该信号进入第一级的噪声抑制平衡模块，第一级的噪声抑制平衡模块中的信号分配器3的一个输出端经过第一电缆4后输出信号b，信号分配器3的另一个输出端经过第二电缆5后输出信号c，

第一电缆和第二电缆长度不同，刚好使得两个信号b，c在时间上相差一个信号重复周期，使得相邻两个周期的信号相位对齐输出给减法器6，减法器6将两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号d，信号d是一个大致为“M”型的信号。

由于减法器6输出信号和尖峰噪声具有同样的相关性和重复性，使得这个本地噪声信号可以再通过一个或多个同样的噪声抑制平衡模块，得到多次抑制。

从实际的使用效果来看，单级的噪声抑制模块能够得到超过32db的噪声抑制比，而有用的雪崩信号经过一次分配和相减重构，信号的衰减仅为6db，对比的信号比提高26db。采用多次级联的方法，从原理上能够无限度地提高信噪比，牺牲的仅仅为信号探测的重复频率。实际使用中，每一次级联得到的抑制比随着级联的次数下降，但是只要高于信号衰减的比例6db，那么级联就是有意义的。

采用本发明的噪声抑制装置，能够轻松实现超过50db以上的噪声抑制，为将来更高速的单光子探测和光子数分辨铺平了道路。但是需要考虑的是，每次级联可以将噪声进行了抑制，但是相应的也带来了雪崩信号的衰减，同时电路中的热噪声是无法通过平衡的方法来一直，故不能无限制的级联下去。实际应用中，通常是在保证信噪比最优的情况下，选择适当的级联次数。

所述雪崩光电二极管工作在门模式下,所述的级联噪声抑制，可以是二级级联到多级级联，其级联的级次取决于其噪声抑制程度。

Claims (4)

1.一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，其特征在于包括有用于从雪崩光电二极管APD采集信号的取样电阻（1），在取样电阻（1）上顺次级联有多个噪声抑制平衡模块（2），每个噪声抑制平衡模块（2）包括将取样电阻（1）采集的信号或上一级噪声抑制平衡模块（2）输出的信号分成两路相同信号的信号分配器（3），在信号分配器（3）的两个信号输出端分别接有两段不同长度的第一电缆（4）和第二电缆（5），信号分配器（3）输出的两路信号经过第一电缆（4）和第二电缆（5）后在时间上相差一个信号重复周期，所述第一电缆（4）和第二电缆（5）的另一端接有将第一电缆（4）和第二电缆（5）传送来的两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号的减法器（6），该减法器（6）的输出端作为噪声抑制平衡模块（2）的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，其特征在于所述噪声抑制平衡模块（2）的工作频率范围是100MHz到2.5GHz。

3.根据权利要求1所述的一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，其特征在于所述雪崩光电二极管工作在饱和式盖格模式或亚饱和的非线性增益模式。

4.根据权利要求1所述的一种级联的单光子探测的噪声抑制装置，其特征在于所述减法器（6）为零度减法器。

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