CN102998008A

CN102998008A - 一种对称双apd平衡的近红外单光子探测器

Info

Publication number: CN102998008A
Application number: CN2012104999665A
Authority: CN
Inventors: 梁崇智; 曾和平; 梁焰
Original assignee: GUANGDONG HANTANG QUANTUM PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG HANTANG QUANTUM PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开了一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，包括顺次连接的正负双极性窄脉冲产生电路，双APD平衡电路，雪崩信号提取电路，雪崩信号鉴别输出电路；所述双APD平衡电路包括两个串联在一起具有相同结电容的雪崩光电二极管，在两个雪崩光电二极管串联后的两端连接有正、负极性偏压，两个雪崩光电二极管与正负双极性窄脉冲产生电路的两个输出端；所述雪崩信号提取电路包括将雪崩光电二极管产生的雪崩电流转变为电压的取样电路，在取样电路输出端连接有将两个雪崩光电二极管产生的容性噪声进行差分消除的差分运算放大器，所述雪崩信号鉴别输出电路的输入端接在差分运算放大器的输出端上。本探测器能较完美的抑制APD尖峰噪声，达到很高的抑制比，实现较宽频域和较高工作频率的尖峰噪声平衡抑制探测。

Description

一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器

[技术领域]

本发明涉及一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器,属于高速量子探测和灵敏光电探测领域。

[背景技术]

不断提高光电探测的灵敏度是探索和揭示微观世界规律以及发展重要前沿科学和高新技术的基点和关键。高效率单光子测控不仅是现代信息科学、量子技术、精密测量、超灵敏探测等前沿学科探索的迫切需要，也为量子调控、纳米研究、蛋白质研究、和单量子态测控等重大科学研究提供重要技术与器件，进而与表面等离子激元学、红外光子学、分子电子学等新兴学科交叉正在持续地推动一系列高新技术的发展。灵敏光电测量已成为空天技术发展中最核心的基础之一，在红外信号的传输和探测、超灵敏激光测距与精确定位等领域也有重要的应用。另一方面，不断提高光谱的检测灵敏度，特别是借助单光子探测技术达到量子极限的超高灵敏度，已成为现代精密光谱学发展的一个重要的新方向，在需要微弱光信号检测的光谱痕量分析与计量领域具有非常广阔的应用前景：如环境或工业污染监测、海关毒品爆炸品检测与公安侦破灵敏痕量分析、煤矿矿井化工等安全生产灵敏预警、有毒危险气体的灵敏检漏、生物发光与生物分子的灵敏分析等，也可以用于实现单量子体系如单分子与单量子点超高灵敏度的光谱探测。单光子探测还在许多重要应用领域，诸如量子保密通信、量子通信网络、量子黑客攻击，量子时间同步、卫星激光雷达、红外光电探测、量子调控、信息安全等方面有非常重要的应用。高效率低噪声单光子探测技术已经成为发展超高灵敏度光电探测的核心。

近红外单光子探测器在通信波段的应用中，量子密钥分发技术可能是最受关注的领域之一。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。高速高效单光子探测同样是发展线性光量子计算、量子保密通信网络等量子信息技术不可或缺的关键仪器。

近红外单光子探测需要解决APD盖格模式饱和增益耗尽载流子、单光子雪崩信号小于APD（雪崩光电二极管）结电容噪声等瓶颈问题。为了实现单光子水平下的弱光信号检测，雪崩光电二极管往往需要工作在饱和增益模式盖格模式下以响应单个光子。然而，在如此高增益下会使得光生载流子迅速耗尽，短时间内难以恢复，限制了其工作频率，而且无法实现光子数分辨探测。高增益同样也带来大噪声，为降低噪声常采取门限符合计数模式，其中，雪崩光电二极管结电容噪声尖峰噪声通常会淹没光生载流子的雪崩信号。因此如何实现雪崩信号的稳定提取，是实现近红外单光子探测的首要问题。通常雪崩光电二极管都是工作在门模式下的，即在不需要进行探测时APD两端的偏置电压小于雪崩电压，在需要探测的时候，在APD的阴极施加一个正电压门脉冲，APD仅在门脉冲宽度的时间内处于盖革模式，可以进行单光子探测。不同于连续探测模式，当光子到达的时间可预知时，门脉冲抑制电路是信噪比最高的探测方法，原因是APD仅在光子到达时开启，处于盖革模式，而在其他时刻APD均处于关断状态，不会产生任何噪声计数。基于门脉冲抑制电路，可以实现GHz的探测速率，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，我们称之为尖峰噪声，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，提取雪崩信号也是近年来单光子探测重点研究的技术之一。

基于门脉冲工作模式的探测技术，其核心在于不断减低微分噪声的幅度以及提高雪崩信号的鉴别度，而目前主流的探测方法是采用平衡的思想，即生成一个与尖峰噪声类似的共模信号，通过差模网络抵消这个共模信号，从而提取出雪崩信号。双APD平衡方案，作为一种高效的探测方法，可以有效地模拟产生尖峰噪声，达到较高的抑制比。实施中，该方案大多采用单极性偏压的雪崩模式，加载于二个APD的电压幅度与波形无法根据双APD的差异调节，探测的噪声平衡抑制受限于APD差异性能，加载于APD上的脉冲偏置电压有限，无法获得较高的探测效率以及较低的暗计数，方案的实施完全受限于无法根据APD差异实现可调式平衡。另外，采用可调电容平衡方法，用可调电容替代APD模拟产生尖峰噪声，但是APD的结电容结构十分复杂，不同频率电容响应不一样，特别是在高频区，APD的容性噪声与加载其上的电压幅度和频率及波形密切相关，很难用电容模拟产生相同的容性响应效果，所以电容平衡的抑制比大多小于双APD平衡的抑制比，一般只适合特定较窄频域和较低工作频率的探测。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，该探测器能较完美的抑制APD尖峰噪声，达到很高的抑制比，实现较宽频域和较高工作频率的尖峰噪声平衡抑制探测。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，包括顺次连接的正负双极性窄脉冲产生电路1，双APD平衡电路4，雪崩信号提取电路5，雪崩信号鉴别输出电路6；所述双APD平衡电路4包括两个具有相同结电容的第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4，在第一雪崩光电二极管D3的负极上连接有正极性偏压2，第一雪崩光电二极管D3的负极与正负双极性窄脉冲产生电路1的正极性窄脉冲输出端连接，第一雪崩光电二极管D3的正极与第二雪崩光电二极管D4的负极连接，第二雪崩光电二极管D4正极与正负双极性窄脉冲产生电路1的负极性窄脉冲输出端连接；在第二雪崩光电二极管D4正极上连接有负极性偏压3；所述雪崩信号提取电路5包括将第一雪崩光电二极管D3产生的雪崩电流转变为电压的第一取样电路51以及将第二雪崩光电二极管D4产生的雪崩电流转变为电压的第二取样电路52，在第一取样电路51和第二取样电路52的输出端连接有将第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4产生的容性噪声进行差分消除的差分运算放大器53，所述雪崩信号鉴别输出电路6的输入端接在差分运算放大器53的输出端上。

在第一雪崩光电二极管D3的负极与正极性偏压2之间连接有第一限流电阻R21，在第二雪崩光电二极管D4正极与负极性偏压3之间连接有第二限流电阻R41。

所述正负双极性窄脉冲产生电路1包括顺次连接的时钟脉冲发生器11，用于调脉宽的微分电路12，产生正负两路对称脉冲的高速ECL比较器13，使正负两路脉冲保持一致脉冲与幅度加在第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4上的压缩整形放大电路14。

所述微分电路12包括电容C2和电阻R10，电容C2的一端与时钟脉冲发生器11的输出端连接，电容C2的另一端与电阻R10的一端和高速ECL比较器13的正相输入端连接，电阻R10的另一端接地。所述高速ECL比较器13的反相输入端由外部提供的精准电压作为比较阈值，所述高速ECL比较器13上设有输出正脉冲的第一输出端Q和输出负脉冲的第二输出端

压缩整形放大电路14包括第一宽带放大器141和第二宽带放大器142，第一宽带放大器141的输入端与高速ECL比较器13的第一输出端Q之间连接有第一脉冲压缩电路143，第二宽带放大器142的输入端与高速ECL比较器13的第二输出端

之间连接有第二脉冲压缩电路144。

在第一雪崩光电二极管D3负极、第二雪崩光电二极管D4正极与第一宽带放大器141、第二宽带放大器142输出端之间连接有钳位电路。

所述第一取样电路51包括第一取样电阻R36和第一传输线变压器T1，第一取样电阻R36连接在第一雪崩光电二极管D3正极和负极性偏压3之间，第一传输线变压器T1的初级线圈两端分别连接在第一取样电阻R36两端，第一传输线变压器T1的次级线圈一端与差分运算放大器53的一个输入端连接，第一传输线变压器T1的次级线圈另一端接地；所述第二取样电路52包括第二取样电阻R26和第二传输线变压器T2，第二取样电阻R26连接在第二雪崩光电二极管D4正极和负极性偏压3之间，第二传输线变压器T2的初级线圈两端分别连接在第二取样电阻R26两端，第二传输线变压器T2的次级线圈一端与差分运算放大器53的另一个输入端连接，第二传输线变压器T2的次级线圈另一端接地。

所述雪崩信号鉴别输出电路6包括鉴别高速比较器61。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：摒弃了传统的单极性偏压的雪崩模式，采用了双极性门脉冲配合双极性偏压来激励两个雪崩光电二极管，和同类技术相比，在相同的偏压幅度和门脉冲幅度的情况下能得到更高的探测效率，以及较低的暗计数，并采用了双APD平衡的方法消除APD结电容的容性噪声，能实现高速运行，各部分电路工作稳定，能够良好的实现对近红外波段单光子高效探测。

[附图说明]

图1为本发明的电路方框图；

图2为本发明的双APD平衡电路和雪崩信号提取电路的连接示意图；

图3为本发明的正负双极性窄脉冲产生电路的电路原理图；

图4为本发明为雪崩信号提取电路和雪崩信号鉴别输出电路的电路原理图。

[具体实施方式]

以下通过附图结合具体实例方式对本发明作进一步详细说明：

如图1-2，本发明介绍一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，包括顺次连接的正负双极性窄脉冲产生电路1，双APD平衡电路4，雪崩信号提取电路5，雪崩信号鉴别输出电路6；所述双APD平衡电路4包括两个具有相同结电容的第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4，在第一雪崩光电二极管D3的负极上连接有正极性偏压2，第一雪崩光电二极管D3的负极与正负双极性窄脉冲产生电路1的正极性窄脉冲输出端连接，第一雪崩光电二极管D3的正极与第二雪崩光电二极管D4的负极连接，第二雪崩光电二极管D4正极与正负双极性窄脉冲产生电路1的负极性窄脉冲输出端连接；在第二雪崩光电二极管D4正极上连接有负极性偏压3；所述雪崩信号提取电路5包括将第一雪崩光电二极管D3产生的雪崩电流转变为电压的第一取样电路51以及将第二雪崩光电二极管D4产生的雪崩电流转变为电压的第二取样电路52，在第一取样电路51和第二取样电路52的输出端连接有将第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4产生的容性噪声进行差分消除的差分运算放大器53，所述雪崩信号鉴别输出电路6的输入端接在差分运算放大器53的输出端上。

这里采用了两支同型号的雪崩光电二极管，最大限度的保证了其电容特性的一致性，将其串联后，再用同样幅度、频率和脉宽的两个门脉冲分别激励此双APD，使其产生极性相反的尖峰脉冲。

如图3，所述正负双极性窄脉冲产生电路1包括顺次连接的时钟脉冲发生器11，微分电路12，高速ECL比较器13，压缩整形放大电路14。

时钟脉冲发生器11用于产生时钟信号。微分电路12用于调脉宽，所述微分电路12包括电容C2和电阻R10，电容C2的一端与时钟脉冲发生器11的输出端连接，电容C2的另一端与电阻R10的一端和高速ECL比较器13的正相输入端连接，电阻R10的另一端接地。所述高速ECL比较器13的反相输入端由外部提供的精准电压作为比较阈值，所述高速ECL比较器13上设有输出正脉冲的第一输出端Q和输出负脉冲的第二输出端

高速ECL比较器13产生正负两路对称脉冲分别从第一输出端Q和第二输出端

输出。

压缩整形放大电路14使正负两路脉冲保持一致脉冲与幅度加在第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4上。压缩整形放大电路14包括第一宽带放大器141和第二宽带放大器142，第一宽带放大器141的输入端与高速ECL比较器13的第一输出端Q之间连接有第一脉冲压缩电路143，第二宽带放大器142的输入端与高速ECL比较器13的第二输出端

之间连接有第二脉冲压缩电路144。第一脉冲压缩电路143，第二脉冲压缩电路144的电路结构相同。第一脉冲压缩电路143由电阻R2、R3、R4、R5,固定电容C1和可调电容C9组成，第二脉冲压缩电路144由电阻R12、R13、R15、R16,固定电容C5和可调电容C10组成。

时钟脉冲发生器11产生的时钟信号通过C2和R10组成的微分电路形成微分信号再进入高速ECL比较器13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，高速ECL比较器13输出的脉冲宽度就是由比较阈值决定，高速ECL比较器13有第一输出端Q和第二输出端输出的信号为对称的、正负相反的脉冲，它们分别通过脉冲压缩电路压缩后，两路脉冲再分别通过宽带放大器提高其幅度，最终输出A、B两路窄脉冲。

如图4，在第一雪崩光电二极管D3负极、第二雪崩光电二极管D4正极与第一宽带放大器141、第二宽带放大器142输出端之间连接有钳位电路。钳位电路由肖特基二极管D1、D2和电容C8、C6组成，钳位电路将基准电平钳制在零点位。

雪崩信号鉴别输出电路6包括鉴别高速比较器61。

电源VCC和VEE是由外部提供的正负双极性高压，他们分别通过限流电阻R21和R41与正负双极性窄脉冲产生电路1输出的两门脉冲汇合，共同加载在第一雪崩光电二极管D3、第二雪崩光电二极管D4 的两端。所述第一取样电阻R36用于将第一雪崩光电二极管D3产生的雪崩电流转变为电压，然后通过匝数比是1：1的第一传输线变压器T1将信号传输到后级，与此同时，双极性高压与脉冲同时也加载在另一个具有相同结电容的第二雪崩光电二极管D4上，其产生的容性噪声与第一雪崩光电二极管D3产生的非常相似，所述第二取样电阻R26用于将第二雪崩光电二极管D4产生的雪崩电流转变为电压，然后通过匝数比是1：1的第二传输线变压器T2将信号传输到后级，第一传输线变压器T1、第二传输线变压器T2输出的信号同时进入差分运算放大器53，这样一来，第一雪崩光电二极管D3的容性噪声就很好的消除，雪崩信号就被很好的显露出来。夹杂着少量噪声的雪崩信号再通过鉴别高速比较器61进行鉴别，从而得到高效的单光子计数。

本发明利用双极性窄脉冲配合双极性偏压作为雪崩光电二极管的激励源，降低了传统的门模式对于门脉冲的要求，实现了高速近红外单光子探测。使用的元器件可以如下选择：

C1:5pF C2:100pF C5:5pF C6:15nF C8:15nF

C9:20pF可调C10:20pF可调

C20:15pF C415:0.1uF C416:56uF C417:0.1uF

C418:0.1uF C420:0.1uF C421:0.1uF C424:0.1uF

R1:300Ω R2:150Ω R3:150Ω R4:150Ω R5:150Ω

R6:100Ω R7:300 ΩR8:300 ΩR9:300Ω R10:50Ω

R12:150Ω R13:150Ω R14:300Ω R15:150Ω R16:150Ω

R17:100Ω R18:300Ω R21:56kΩ R25:100Ω R26:50Ω

R27:50Ω R35:510Ω R36:50Ω R37:50Ω R40:510Ω

R41:56kΩ R413:25Ω R414:220Ω R415:10Ω R416:10Ω

R417:10kΩ R418:510Ω R419:510Ω

D1,D2:肖特基二极管

T1,T2:ETC1-1-13

U1:AD80009 U2:AD96685 U3:AD8351 U4:AD96685。

Claims

1.一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于包括顺次连接的正负双极性窄脉冲产生电路（1），双APD平衡电路（4），雪崩信号提取电路（5），雪崩信号鉴别输出电路（6）；所述双APD平衡电路（4）包括两个具有相同结电容的第一雪崩光电管D3、第二雪崩光电管D4，在第一雪崩光电管D3的负极上连接有正极性偏压（2），第一雪崩光电管D3的负极与正负双极性窄脉冲产生电路（1）的正极性窄脉冲输出端连接，第一雪崩光电管D3的正极与第二雪崩光电管D4的负极连接，第二雪崩光电管D4正极与正负双极性窄脉冲产生电路（1）的负极性窄脉冲输出端连接；在第二雪崩光电管D4正极上连接有负极性偏压（3）；所述雪崩信号提取电路（5）包括将第一雪崩光电管D3产生的雪崩电流转变为电压的第一取样电路（51）以及将第二雪崩光电管D4产生的雪崩电流转变为电压的第二取样电路（52），在第一取样电路（51）和第二取样电路（52）的输出端连接有将第一雪崩光电管D3、第二雪崩光电管D4产生的容性噪声进行差分消除的差分运算放大器（53），所述雪崩信号鉴别输出电路（6）的输入端接在差分运算放大器（53）的输出端上。

2.根据权利要求1所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于在第一雪崩光电管D3的负极与正极性偏压（2）之间连接有第一限流电阻R21，在第二雪崩光电管D4正极与负极性偏压（3）之间连接有第二限流电阻R41。

3.根据权利要求1或2所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于所述正负双极性窄脉冲产生电路（1）包括顺次连接的时钟脉冲发生器（11），用于调脉宽的微分电路（12），产生正负两路对称脉冲的高速ECL比较器（13），使正负两路脉冲保持一致脉冲与幅度加在第一雪崩光电管D3、第二雪崩光电管D4上的压缩整形放大电路（14）。

4.根据权利要求3所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于所述微分电路（12）包括电容C2和电阻R10，电容C2的一端与时钟脉冲发生器（11）的输出端连接，电容C2的另一端与电阻R10的一端和高速ECL比较器（13）的正相输入端连接，电阻R10的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于所述高速ECL比较器（13）的反相输入端由外部提供的精准电压作为比较阈值，所述高速ECL比较器（13）上设有输出正脉冲的第一输出端Q和输出负脉冲的第二输出端

6.根据权利要求5所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于压缩整形放大电路（14）包括第一宽带放大器（141）和第二宽带放大器（142），第一宽带放大器（141）的输入端与高速ECL比较器（13）的第一输出端Q之间连接有第一脉冲压缩电路（143），第二宽带放大器（142）的输入端与高速ECL比较器（13）的第二输出端

之间连接有第二脉冲压缩电路（144）。

7.根据权利要求6所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于在第一雪崩光电管D3负极、第二雪崩光电管D4正极与第一宽带放大器（141）、第二宽带放大器（142）输出端之间连接有钳位电路。

8.根据权利要求1所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于所述第一取样电路（51）包括第一取样电阻R36和第一传输线变压器T1，第一取样电阻R36连接在第一雪崩光电管D3正极和负极性偏压（3）之间，第一传输线变压器T1的初级线圈两端分别连接在第一取样电阻R36两端，第一传输线变压器T1的次级线圈一端与差分运算放大器（53）的一个输入端连接，第一传输线变压器T1的次级线圈另一端接地；所述第二取样电路（52）包括第二取样电阻R26和第二传输线变压器T2，第二取样电阻R26连接在第二雪崩光电管D4正极和负极性偏压（3）之间，第二传输线变压器T2的初级线圈两端分别连接在第二取样电阻R26两端，第二传输线变压器T2的次级线圈一端与差分运算放大器（53）的另一个输入端连接，第二传输线变压器T2的次级线圈另一端接地。

9.根据权利要求8所述的一种对称双APD平衡的近红外单光子探测器，其特征在于雪崩信号鉴别输出电路（6）包括鉴别高速比较器（61）。