CN103115688B - 频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，包括正弦波门控信号发生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模块，半导体温度控制模块，高压直流偏置模块，功率合成器，低通滤波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比较器，脉冲计数器，功率探测器，相位与幅度自动锁定模块，压控增益放大器以及锁相环，该探测器无需使用延迟线或带阻滤波器等体积较大的器件就可以有效抑制雪崩光电二极管APD结电容耦合的噪声，提高探测器的灵敏度且同时具有高探测速率、高量子效率、低暗计数与后脉冲概率以及结构紧凑、无超低温要求、成本低等优点，是实现近红外波段高速单光子探测的理想方案。
Description
技术领域
本发明涉及近红外波段的量子保密通信和微弱光信号探测等领域，具体涉及一种速率可调谐的吉赫兹近红外波段单光子探测器。
背景技术
单光子探测技术可以广泛应用于量子密钥分配（QKD）、激光雷达(lidar)、光纤传感(fiber optical sensing)、光纤通信(fiber optical communication)等领域。传统上可以使用光电倍增管（PMT）进行单光子探测，其时间分辨率和暗计数指标均十分优秀，但是当波长超过1μm时，其探测的量子效率迅速下降到1%以下，使其不适合红外波段的应用。硅(Si)雪崩光电二极管(APD)在400nm到900nm波长具有超过70%的量子效率，但是对于光纤通信中的近红外波段的低损耗窗口1310nm和1550nm，硅APD几乎没有响应。
一种解决方案是采用波长上转换，将波长1μm以上的光子信号转换为1μm以下的光子信号，再使用硅APD进行探测。但是这种方案中波长上转换过程的效率通常不高，因此总体的量子效率受到影响。且常见的波长上转换需要空间光器件的参与，其系统的复杂度较高，稳定性不好。最近一些年，红外波段单光子探测的研究热点又集中到了基于超导材料的单光子探测器。这一类探测器的探测速率与暗计数性能相对于传统方案均具有较大的优势，但是其工作温度极低（数K），需要庞大且昂贵的制冷设备，因此暂时还很难在实际应用中推广。
目前光纤通信波段的近红外单光子探测主要仍采用基于铟镓砷/铟磷（InGaAs/InP）材料的雪崩光电二极管APD作为探测器元件。采用高于雪崩电压的反向偏置可以使InGaAs/InP APD工作在“盖革”模式。此时即使探测器仅接收到单个光子，也会以一定的概率触发所谓“自持雪崩”。由于雪崩增益极大，单个光子产生的光电流会被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的电流脉冲。其工作温度通常在223K附近以降低暗计数发生的概率，这可以使用半导体制冷技术实现。由于“自持雪崩”是一个正向反馈的过程，一旦发生就不会自行淬灭。为了保证探测器可以连续探测光子，必须在雪崩发生之后，下一光子到达之前主动淬灭雪崩过程。常见的淬灭技术包括：无源模式、有源模式以及门控模式。其中无源和有源模式无需同步光子到达的时间，因此可以测量到达时刻未知的光子信号。但是这两种模式的淬灭过程较长，其探测速率通常小于兆赫兹。而如果能够同步光子的到达时间，则可以采用门控模式。通过仅在光子到达时刻提升雪崩光电二极管APD偏置电压，可以在保证探测效率的前提下，大大提升探测速率并降低暗计数发生的概率。
但是由于雪崩光电二极管APD结电容的高通耦合特性，采用门控模式淬灭雪崩时，探测器的输出会受到与门控信号同频的峰状噪声干扰。而单光子的雪崩信号幅度相对于噪声水平较小，如何从强干扰噪声中提取出雪崩脉冲信号就变得十分重要。提升反向偏置电压从而增加雪崩增益以提高雪崩信号幅度是一种常见的方案。但是InGaAs/InP APD的材料中总是存在一些缺陷。在雪崩过程中，雪崩增益激发的大量载流子会以一定的概率被这些材料缺陷捕获，并经历一定的时间后释放。这些延时释放的载流子有可能再次激发雪崩信号，产生所谓“后脉冲”效应。显然后脉冲是一种假信号，其发生概率应被尽量抑制。延长门控信号的重复周期可以有效降低后脉冲概率，但是这就限制了探测速率。为了提高探测速率，只能够使用较小的雪崩增益，此时雪崩信号的幅度相对于峰状噪声水平就变得更低，信号提取更加困难。
为了抑制峰状噪声对雪崩信号检测的影响，产生了一类称为自差分的技术。这一类技术所使用的门控信号通常为周期性的方波信号，将探测器输出的原始信号分作两路，其中一路信号经过反向和一个门控周期的延迟后与另一路信号相加。由于峰状噪声具有周期性，相加的结果将抑制噪声而保留雪崩信号。另一种常用的方法是正弦波门控技术，其门控信号为纯净的正弦波信号。由于正弦波在频域上仅对应单一的频率分量，因此探测器输出的噪声主要仍为同频的正弦信号。传统上采用选频特性极佳的带阻滤波器抑制这一正弦噪声分量，取出雪崩信号。无论是自差分技术还是正弦门控技术，其探测速率是固定的，由延迟线长度或滤波器中心频率决定。因此其探测速率的适应性不强，一旦探测器完成设计，其工作速率就是固定的，灵活性差。且由于高性能的延迟线和滤波器的几何尺寸通常与波长相比拟，对于吉赫兹的探测器，延迟线或滤波器的尺寸均在数十厘米以上，使得整个探测器系统体积仍显庞大，不利于便携式的现场应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种探测频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，无需使用延迟线或带阻滤波器等器件就可以有效抑制雪崩光电二极管APD结电容耦合的噪声，提高探测器的灵敏度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，包括正弦波门控信号发生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模块，半导体温度控制模块，高压直流偏置模块，功率合成器，低通滤波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比较器，脉冲计数器，功率探测器，相位与幅度自动锁定模块，压控增益放大器以及锁相环，其中：
所述正弦波门控信号发生器产生频率为吉赫兹的正弦信号，该正弦信号经第一功率分配器分为两路输出信号：第一输出信号作为InGaAs/InP APD模块的门控信号，该门控信号加载在高压直流偏置模块产生的直流电压偏置之上，用于控制雪崩光电二极管APD的工作状态；第二路输出信号依次经过锁相环、压控增益放大器后形成与InGaAs/InP APD模块输出的尖峰噪声幅度相同、相位相反的正弦信号；
所述InGaAs/InP模块的输出信号、压控增益放大器输出的正弦信号分别输入功率合成器相加后，所合成的信号依次经过低通滤波器、功率放大器后，经过第二功率分配器分为两路输出信号：第一路输出信号依次经过超高速比较器、脉冲计数器得到InGaAs/InP APD模块所探测到的光子计数；第二路输出信号经功率探测器输入至相位与幅度自动锁存模块；相位与幅度自动锁定模块根据功率探测器的输出信号幅度大小，调节锁相环的相位延迟以及压控增益放大器的增益，使得锁相环和压控增益放大器在相位与幅度自动锁存模块的控制下，合成与雪崩光电二极管APD结电容耦合的正弦噪声信号幅度相同、相位相反的同频信号；
所述半导体温度控制模块用于调节所述InGaAs/InP模块的温度。
进一步的，本发明的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，所述的InGaAs/InP APD模块包括输入匹配电阻、隔直电容、限流保护电阻、去耦电容、雪崩光电二极管APD、输出匹配电阻，帕尔贴以及热敏电阻，其中：
所述雪崩光电二极管APD、帕尔贴以及热敏电阻被粘连在一起并使用保温材料加以密封；雪崩光电二极管APD的门控信号经所述输入匹配电阻接地，以保证高频信号不出现反射而造成失真；所述隔直电容用于隔离门控信号和高压直流偏置之间的直流耦合，仅允许交流的门控信号通过，并加载到雪崩光电二极管APD的阴极；所述输出匹配电阻的一端分别连接雪崩光电二极管APD的阳极和InGaAs/InP APD模块的输出端，所述输出匹配电阻的另一端接地；高压直流偏置模块的直流电压偏置通过所述限流保护电阻连接雪崩光电二极管APD的阴极，形成高压反向偏置；直流电压偏置进入InGaAs/InP APD模块内部时，通过所述去耦电容接地，以抑制偏置输入端口的高频干扰。
进一步的，本发明的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，所述的相位和幅度自动锁存模块包快模数转换器，微控制器、数模转换器，其中：
所述功率探测器探测的电压信号输入经模数转换器采样，将模拟量电压信号转换为数字信号，该数字信号经过微控制器利用相位和幅度自动锁存算法计算后，得到锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压，微控制器将该最佳工作电压信号经数模转换器转换为模拟控制电压，并分别输出给锁相环和压控增益放大器，使两个器件锁定在最佳工作状态。
进一步的，本发明的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，所述相位与幅度自动锁定模块根据以下方法确定锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压：
将功率探测器输出的滤波后的信号Sout表示为：
其中E代表容性耦合噪声的电场强度，E’代表差分信号的电场强度，代表容性耦合噪声的相位，代表差分信号的相位；
根据上式，仅当容性耦合噪声与差分信号强度一致且两者相位差时才能得到功率探测器输出的最小值，此时差分信号对容性耦合噪声的抑制达到最佳工作点，N为整数；
依照上述原则，利用微控制器按照数模转换器的最小步长分别给予锁相环和压控增益放大器增大或减小的控制电压信号，在此过程中得到一个功率探测器输出的最小值，此时的微控制器输出的控制电压为锁相环和压控增益放大器最佳工作电压。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明通过将雪崩光电二极管（APD）工作在门控模式下，可以获得吉赫兹以上的探测速率。单光子探测器的探测速率高，在现有的InGaAs/InP APD制作工艺下，预计的探测频率上限为2.5吉赫兹。同时保持较低的暗计数和后脉冲发生概率。
（2）通过相位与幅度自动锁定模块调节锁相环和压控增益放大器的工作点，可以合成与雪崩光电二极管APD结电容耦合的正弦噪声信号幅度相同，相位相反的同频信号。该信号与雪崩光电二极管APD原始输出信号通过功率合成器相加，可以抵消结电容耦合的正弦噪声。相位与幅度自动锁定模块根据功率探测器的输出信号幅度大小，调节锁相环的相位延迟以及压控增益放大器的增益。门控信号的频率的调谐范围由锁相环决定，可以实现对较大频率范围内门控信号的自适应锁定。通过主动合成反向信号抑制结电容耦合噪声，可以很好地提升探测器输出信噪比，提升单光子探测器的量子效率。同时由于采用了锁相环合成反向信号，使得探测器的工作频率有很好的适应性。理论上在整个锁相环的可调谐频率范围内，该探测器均可以正常工作。
（3）该技术同时具有高探测速率、高量子效率、低暗计数与后脉冲概率以及结构紧凑、无超低温要求、成本低等优点，外围器件以集成电路为主，适合现场应用，是实现近红外波段高速单光子探测的理想方案。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是InGaAs/InP APD模块原理图。
图中标号：R1-输入匹配电阻，C1-隔直电容，R2-限流保护电阻，C2-去耦电容，D1-雪崩光电二极管APD，R3-输出匹配电阻，P-帕尔贴，T-热敏电阻。
图3是相位与幅度自动锁定模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
InGaAs/InP APD工作在门控模式时，结电容耦合的噪声会严重降低探测器的输出信噪比，干扰雪崩信号的正确提取。使用正弦门控信号驱动雪崩光电二极管APD时，结电容耦合噪声主要分布在于门控信号同频的基频和高次谐波分量上。而雪崩信号为脉冲信号，其频谱特性近似为宽带的噪声特性，且大部分能量集中在门控信号二次谐波频率以下。因此只要使用普通性能的低通滤波器即可抑制二次及高次谐波噪声。而对于基频噪声，可以通过主动合成与基频噪声幅度相同且同频反向的信号加以抑制。结电容耦合噪声被抑制后，探测器的输出信噪比大大提升，提高了探测器的检测灵敏度。较高的灵敏度意味着使用较低的雪崩增益成为可能，从而降低了后脉冲发生的概率，提高了单光子探测器的探测效率。
结合附图1说明本发明的具体实施方法。本发明在结构上包括正弦波门控信号发生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模块，半导体温度控制模块，高压直流偏置模块，功率合成器，低通滤波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比较器，脉冲计数器，功率探测器，相位与幅度自动锁定模块，压控增益放大器以及锁相环。
其中正弦波门控信号发生器的输出端与第一功率分配器相连，第一功率分配器分别与InGaAs/InP APD模块的门控输入端以及锁相环的参考信号输入端相连，高压直流偏置模块的输出端与InGaAs/InP APD模块的直流电压偏置输入端相连。半导体温度控制模块与InGaAs/InP APD模块内置的帕尔贴、热敏电阻驱动接口相连。InGaAs/InP APD模块的输出端与功率合成器的一路输入端相连。锁相环的输出与压控增益放大器的输入相连。压控增益放大器的输出端与功率合成器的另一路输入端相连。功率合成器的输出与低通滤波器的输入端相连。低通滤波器的输出与功率放大器的输入端相连。功率放大器的输出与第二功率分配器的输入相连。第二功率分配器的一路输出端与超高速比较器的输入相连。超高速比较器与脉冲计数器相连。第二功率分配器的另一路输出端与功率探测器的输入端相连。功率探测器的输出端和相位与幅度自动锁定模块的输入端相连。相位与幅度自动锁定模块的输出端和锁相环以及压控增益放大器的控制输入端相连。
所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，通过正弦波门控信号发生器产生频率为吉赫兹的正弦信号作为InGaAs/InP APD模块的门控信号，加载在高压直流偏置模块产生的直流电压偏置之上，控制雪崩光电二极管APD的工作状态。锁相环和压控增益放大器在相位与幅度自动锁定模块的控制下，合成与雪崩光电二极管APD结电容耦合的正弦噪声信号幅度相同，相位相反的同频信号。该信号与雪崩光电二极管APD原始输出信号通过功率合成器相加，可以抵消结电容耦合的正弦噪声，提升探测器输出信噪比。相位与幅度自动锁定模块根据功率探测器的输出信号幅度大小，调节锁相环的相位延迟以及压控增益放大器的增益。
其中通过正弦波门控信号发生器是一个输出功率20dBm-30dBm的高频信号源，可以是高频晶体振荡器级联宽带功率放大器构成，也可以直接采用信号源模块构成。我们采用了ROHDE&SCHWARZ的SMA100A型信号源。其输出频率调节范围9KHz-3GHz，最大输出功率30dBm。
第一功率分配器，功率合成器以及第二功率分配器均为宽带功率耦合器件。功率合成器即是功率分配器的反向应用。可使用Mini-Circuits公司的RPS-2-30型功率分配/合成器，带宽10MHz-3000MHz。
InGaAs/InP APD模块的内部结构如图2所示。包括输入匹配电阻R1、隔直电容C1、限流保护电阻R2、去耦电容C2、雪崩光电二极管D1、输出匹配电阻R3、帕尔贴P以及热敏电阻T。
其中雪崩光电二极管D1，帕尔贴P以及热敏电阻T被粘连在一起并使用保温材料加以密封。正弦波门控信号发生器产生的门控信号经过输入匹配电阻R1接地以保证高频信号不出现反射而造成失真。输入匹配电阻R1通常选取阻值为50欧姆，额定功耗3W的贴片电阻。隔直电容C1隔离正弦波门控信号发生器和高压直流偏置模块之间的直流耦合，但是允许交流的门控信号通过，加载到雪崩光电二极管D1的阴极，其取值通常为数百纳法，且耐压值大于100V。雪崩光电二极管D1的阳极通过输出匹配电阻R3接地并连接输出端，输出匹配电阻R3通常选用阻值50欧姆，贴片封装的微波贴片电阻。
来自高压直流偏置模块的直流电压偏置通过限流保护电阻R2连接雪崩光电二极管D1的阴极，形成高压反向偏置。限流保护电阻R2的取值通常为数十千欧姆。直流电压偏置进入InGaAs/InP APD模块内部时，通过去耦电容接地，以抑制高频干扰通过偏置输入端口耦合，去耦电容通常选取数百纳法的贴片电容，耐压值大于100V。
雪崩光电二极管D1选用Princeton Lightwave公司的PGA-308单光子雪崩二极管，其封装内部集成有帕尔贴P和热敏电阻T。
半导体温度控制模块选用Wavelength Electronics公司的WTC3243超稳定温度控制器，其输出的控制电流最大值为2.2安培，针对单光子探测器的应用，其控温范围为223K-300K，稳定度为±0.001K。
高压直流偏置模块由Maxim公司的高精度开关稳压电源芯片MAX5026组成，实现由5V低压升压获得70V-90V高压的功能，其输出电压可以由电位器调节。电源精度为10mV。
低通滤波器可选用级联的Mini-Circuits公司的LFCN系列陶瓷滤波器。其截止频率比最高门控信号频率的两倍低20%，通带插入损耗小于6dB，阻带衰减大于80dB。
功率放大器为Mini-Circuits公司的ERA-3+射频放大器，其增益带宽为DC-3GHz，增益22dB，1dB压缩点12dBm。
超高速比较器用于实现雪崩脉冲信号的甄别，选用Analog Device公司的ADCMP572超高速比较器，其等效模拟带宽为8GHz，甄别阈值可用电位器调节，调节范围0-3.3V。比较器输出为PECL电平，最小脉冲宽度150ps。
脉冲计数器接收超高速比较器的输出电平，对雪崩脉冲个数进行计数。可以使用Lattice公司的ECP4系列FPGA实现。
功率探测器为Mini-Circuits公司的ZX47-40系列功率探测器，可以将输入信号的功率值转化为电压值输出，且其输出电压与输入功率的转化关系为对数关系，可以大大提升对信号功率检测的动态范围。输入功率范围为-40dBm到20dBm，频率范围10MHz-8GHz。输出电压范围0.5V-2.1V。
相位与幅度自动锁定模块的结构如图3所示，包括：模数转换器，微控制器，数模转换器。其中模数转换器的输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与数模转换器的输入端相连。来自功率探测器的电压信号经输入端进入模数转换器进行采集，转化为数字化的数据。微控制器对数据进行处理，做出控制决策，并控制数模转换器改变输出电压的幅值。数模转换器输出的模拟控制信号通过相位与幅度自动锁定模块的输出口与外部器件连接。同时微控制器的另一路输出口输出数字控制信号也通过相位与幅度自动锁定模块的输出口与外部器件连接。
长时间工作条件下，容性耦合噪声的相位和幅度均会出现漂移，从而令差分信号与噪声产生失配，降低噪声抑制比，因此必须通过相位与幅度自动锁存算法来控制锁相环和压控增益放大器的最佳工作点。
功率检测器的输入是由雪崩信号、容性耦合噪声和差分信号叠加而成的，其数学表达式为：
其中A(t)代表经过BPF后的雪崩信号的电场强度，fg是门控信号的频率，E、E’、和分别是容性耦合噪声和差分信号的电场强度与相位。功率探测器的输出信号为：
由于雪崩信号的电场强度相对于容性耦合噪声和差分信号而言是很小的，所以表达式(2)中所有与A(t)有关的项都可以省略掉。同时功率探测器有限的响应带宽可以消除所有高频分量，因此滤波后的信号可以简化为：
根据表达式(3)，仅当尖峰噪声与差分信号强度一致且两者相位差时才能得到功率探测器输出的最小值，此时差分信号对容性耦合噪声的抑制达到最佳工作点。利用微控制器按照数模转换器的最小步长分别给予锁相环和压控增益放大器增大和减小的控制电压信号，在此过程中可以得到一个功率探测器输出的最小值，此时的微控制器输出的控制电压为锁相环和压控增益放大器最佳工作电压，凭借这一算法可以快速自动锁定相位和幅度。
模数转换器选取Analog Device公司的AD9220，其采样速率达到20MHz，微控制器选取Microchip公司的PIC32MX795系列微控制器。数模转换器选取Burr-Brown公司的DAC7621，其为12位数模转换器，输出稳定时间7us。
压控增益放大器是增益由模拟电压控制的宽带放大器，可选用Mini-Circuits公司的ZFL-1200，其带宽10MHz-1200MHz。增益为-37dB至27dB可调，增益控制电压范围为0V-5V。
锁相环可以接收参考信号，并合成与参考信号同频锁相的输出信号。且输出信号与参考信号的相位差可通过数字控制信号进行调节。本发明选取Mini-Circuits公司的DSN-2036系列频率同步模块实现这一功能，其输入频率范围924MHz-2036MHz。
Claims (3)
1.一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：包括正弦波门控信号发生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模块，半导体温度控制模块，高压直流偏置模块，功率合成器，低通滤波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比较器，脉冲计数器，功率探测器，相位与幅度自动锁定模块，压控增益放大器以及锁相环，其中：
所述正弦波门控信号发生器产生频率为吉赫兹的正弦信号，该正弦信号经第一功率分配器分为两路输出信号：第一路输出信号作为InGaAs/InP APD模块的门控信号，该门控信号加载在高压直流偏置模块产生的直流电压偏置之上，用于控制雪崩光电二极管APD的工作状态；第二路输出信号依次经过锁相环、压控增益放大器后形成与InGaAs/InP APD模块输出的尖峰噪声幅度相同、相位相反的正弦信号；
所述InGaAs/InP APD模块的输出信号、压控增益放大器输出的正弦信号分别输入功率合成器相加后，所合成的信号依次经过低通滤波器、功率放大器后，经过第二功率分配器分为两路输出信号：第一路输出信号依次经过超高速比较器、脉冲计数器得到InGaAs/InPAPD模块所探测到的光子计数；第二路输出信号经功率探测器输入至相位与幅度自动锁存模块；相位与幅度自动锁定模块根据功率探测器的输出信号幅度大小，调节锁相环的相位延迟以及压控增益放大器的增益，使得锁相环和压控增益放大器在相位与幅度自动锁存模块的控制下，合成与雪崩光电二极管APD结电容耦合的正弦噪声信号幅度相同、相位相反的同频信号；
所述半导体温度控制模块用于调节所述InGaAs/InP APD模块的温度；
所述的InGaAs/InP APD模块包括输入匹配电阻、隔直电容、限流保护电阻、去耦电容、雪崩光电二极管APD、输出匹配电阻，帕尔贴以及热敏电阻，其中：
所述雪崩光电二极管APD、帕尔贴以及热敏电阻被粘连在一起并使用保温材料加以密封；雪崩光电二极管APD的门控信号经所述输入匹配电阻接地，以保证高频信号不出现反射而造成失真；所述隔直电容用于隔离门控信号和高压直流偏置之间的直流耦合，仅允许交流的门控信号通过，并加载到雪崩光电二极管APD的阴极；所述输出匹配电阻的一端分别连接雪崩光电二极管APD的阳极和InGaAs/InP APD模块的输出端，所述输出匹配电阻的另一端接地；高压直流偏置模块的直流电压偏置通过所述限流保护电阻连接雪崩光电二极管APD的阴极，形成高压反向偏置；直流电压偏置进入InGaAs/InP APD模块内部时，通过所述去耦电容接地，以抑制偏置输入端口的高频干扰。
2.如权利要求1所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：
所述的相位和幅度自动锁存模块包括模数转换器，微控制器、数模转换器，其中：
所述功率探测器探测的电压信号输入经模数转换器采样，将模拟量电压信号转换为数字信号，该数字信号经过微控制器利用相位和幅度自动锁存算法计算后，得到锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压，微控制器将该最佳工作电压信号经数模转换器转换为模拟控制电压，并分别输出给锁相环和压控增益放大器，使两个器件锁定在最佳工作状态。
3.如权利要求1或2所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：相位与幅度自动锁定模块根据以下方法确定锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压：
(1)、将功率探测器输出的滤波后的信号Sout表示为：
其中E代表容性耦合噪声的电场强度，E’代表差分信号的电场强度，代表容性耦合噪声的相位，代表差分信号的相位；
(2)、根据上式，仅当容性耦合噪声与差分信号强度一致且两者相位差时才能得到功率探测器输出的最小值，此时差分信号对容性耦合噪声的抑制达到最佳工作点，N为整数；
(3)、依照上述(2)原则，利用微控制器按照数模转换器的最小步长分别给予锁相环和压控增益放大器增大或减小的控制电压信号，在此过程中得到一个功率探测器输出的最小值，此时的微控制器输出的控制电压为锁相环和压控增益放大器最佳工作电压。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6924705B2 (en) * | 2000-06-08 | 2005-08-02 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Inject synchronous narrowband reproducible phase locked looped |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6924705B2 (en) * | 2000-06-08 | 2005-08-02 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Inject synchronous narrowband reproducible phase locked looped |
| CN101650228A (zh) * | 2009-09-21 | 2010-02-17 | 安徽问天量子科技股份有限公司 | 吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器 |
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Non-Patent Citations (2)
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| AlGaN基共振腔增强的p-i-n型紫外探测器;姬小利等;《半导体学报》;20071231;第28卷(第12期);第1957-1960页 * |
| 超导纳米线单光子探测器;张蜡宝等;《物理学报》;20111231;第60卷(第3期);第038501-1到038501-7页 * |
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