CN103411691B - 一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器 - Google Patents

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，包括光源、正弦门控APD模块、直流偏置稳压源、电光调制器、光电探测器、低通滤波器、甄别器，其中所述光源发出的连续光作为电光调制器的光输入；所述电光调制器在直流偏置和正弦门控APD雪崩信号共同作用下对光输入进行调制；所述电光调制器调制后的光信号经过光电探测器转换成电信号后输出；所述低通滤波器用于滤除电信号中的正弦门控噪声信号并将雪崩信号输出；所述甄别器对接收的雪崩信号进行计数，实现对单光子输入的计数。本发明无需使用带阻滤波器等器件就可有效抑制雪崩光电二极管APD结电容耦合的噪声，具有低暗计数与后脉冲概率以及结构紧凑、无超低温要求等优点。

Description

一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器

技术领域

本发明涉及一种近红外波段的单光子探测器，特别涉及一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外波段单光子探测器，属于近红外波段的量子保密通信和微弱光信号探测等领域。

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(fiberopticalsensing)、光纤通信(fiberopticalcommunication)等领域。通过正弦门控的雪崩光电二极管进行单光子探测是一种常用的方法，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正弦状噪声干扰。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/InPAPD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。

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。但是其探测速率是固定的，由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在于克服现有技术的不足，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。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，是实现近红外波段高速单光子探测的理想方案。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，包括用于发出连续光的光源、正弦门控APD模块、直流偏置稳压源、电光调制器、光电探测器、低通滤波器、甄别器，其中所述光源发出的连续光作为电光调制器的光输入；所述直流偏置稳压源用于向电光调制器提供直流偏置；所述正弦门控APD模块用于提供正弦门控噪声信号和雪崩信号，所述正弦门控噪声信号和雪崩信号作为交流电压输入电光调制器；所述电光调制器在直流偏置和正弦门控APD雪崩信号共同作用下对光输入进行调制；所述电光调制器调制后的光信号经过光电探测器转换成电信号后输出；所述低通滤波器用于滤除所述电信号中的正弦门控噪声信号并将雪崩信号输出；所述甄别器对接收的雪崩信号进行计数，实现对单光子输入的计数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电光调制器通过控制直流偏置的大小，使得电光调制器对所述正弦门控噪声信号分量进行偶数倍频，对雪崩信号不进行倍频。

作为本发明的一种优选技术方案：所述低通滤波器的带宽设定为0～f_max，根据低通滤波器的带宽对所述正弦门控噪声信号的频率在之间调节，所述低通滤波器用于滤除偶数倍频后的频率大于f_max的正弦门控噪声信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述低通滤波器输出的电信号还用于反馈调节，具体为以低通滤波器的输出电压作为反馈信号，对所述直流偏置稳压源的电压进行调节，根据每个直流偏置稳压源调节的电压测得对应的低通滤波器输出电压。

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）通过控制电光调制模块的直流偏置，可以对正弦噪声信号进行偶数倍频，从而通过低通滤波器将噪声信号消除，在确定了带通滤波器的带宽后，假设带宽为0～f_max，则门控信号的频率可以在之间调节，而门控信号不需要做进一步的调整，即使得探测器的工作频率有很好的适应性。

（2）该探测器无需使用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。

（3）外围器件以集成电路为主，结构紧凑，重量轻，成本低，适合现场应用。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明的正弦门控APD模块的输出信号示意图。

图3是本发明的电光调制器的输出光强I_A和外加电场U的关系曲线以及输入电压与相应输出光信号。

图4是本发明带有反馈方式的电路原理图。

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。

如图1所示，本发明设计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，包括用于发出连续光的光源、正弦门控APD模块、直流偏置稳压源、电光调制器、光电探测器、低通滤波器、甄别器，其中所述光源发出的连续光作为电光调制器的光输入；所述直流偏置稳压源用于向电光调制器提供直流偏置；所述正弦门控APD模块用于提供正弦门控噪声信号和雪崩信号，所述正弦门控噪声信号和雪崩信号作为交流电压输入电光调制器；所述电光调制器在直流偏置和正弦门控APD雪崩信号共同作用下对光输入进行调制；所述电光调制器调制后的光信号经过光电探测器转换成电信号后输出；所述低通滤波器用于滤除所述电信号中的正弦门控噪声信号并将雪崩信号输出；所述甄别器对接收的雪崩信号进行计数，实现对单光子输入的计数。

正弦门控APD模块工作在门控模式时，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正弦门控噪声信号二次谐波频率以下。

正弦门控APD模块的输出信号如图2所示，由正弦门控噪声信号和雪崩信号组成，其中噪声信号很强，雪崩脉冲信号强度很弱，且该微弱的雪崩信号出现在正弦噪声信号的过零点处。

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的具体工作过程如下：将光源发出的连续光作为电光调制器的输入，直流偏置和正弦门控APD模块的雪崩信号对连续光进行调制，正弦门控APD模块的雪崩信号由正弦门控APD模块的输出提供，直流偏置由直流偏置稳压源提供，通过控制直流偏置的大小，使得电光调制器对正弦门控APD模块的正弦门控噪声信号分量进行偶数倍频，而对雪崩信号则不存在倍频。数学推导如下：

电光调制模块的连续光输入端的数学表达式为：

E_in＝E₀cos(ω₀t)（1）

其中E₀为该输入信号的振幅，ω₀为该信号的角频率，t表示时间；

电光调制模块的调制电压为:

V＝V_DC+V_mcos(ω_mt)（2）

其中V_DC为直流偏置，V_mcos(ω_mt)为交流偏置，即正弦门控APD模块的输出信号，其中V_m为交流偏置的幅度，ω_m为交流偏置的角频率，即正弦门控噪声信号的角频率，t为时间；交流偏置和直流偏置构成了电光调制器的总偏置电压。该表达式忽略了调制电压中的雪崩信号；

根据电光调制器性质，得到电光调制模块的输出为：

其中，

$C=\mathrm{\π}{V}_m/2V_{\mathrm{\π}}=\mathrm{\π}\sqrt{2\mathrm{PR}}/{2V}_{\mathrm{\π}}---\left(5\right)$

其中C为调制深度，是由直流偏置电压V_DC引起的相位改变，V_π为EOM的半波电压，P为微波功率，R是EOM的RF端口的输入电阻。

将式（3）用Bessel函数展开，得到

(6)

其中J_k(C)为K阶Bessel函数。

考虑到光电探测器PD无法对频率为ω₀的信号进行响应，所以直接忽略之，对应的0阶到3阶光强分别为：

为了使输出信号只存在偶数阶光强，令即(k为整数）。

电光调制器的输出光强I_A和外加电场U的关系曲线如图3，其中横坐标是指调制电压的大小，纵坐标是归一化光强，归一化光强和调制电压呈现出周期性的关系；如果输入正弦信号的参考电压处在A点，那么输出的光信号能量曲线为输入正弦信号翻转后的结果。其中A点是对应于(k为整数）的点，V_DC/V_π指的就是两者的比例值。

当时，电光调制器的工作位置为图3中的A点，正弦门控噪声信号会翻转倍频，雪崩脉冲信号不发生翻转。

因此从电光调制模块输出的光信号经过光电探测器PD，得到正弦门控噪声信号的偶数倍频信号和未倍频的雪崩信号；

由于雪崩信号的大部分能量集中正弦门控噪声信号二次谐波频率以下，所以可以通过低通滤波器滤除正弦门控噪声信号的成分，再经过甄别器，就可以对雪崩信号进行计数，甄别器的作用是将模拟信号变成数字信号。

在确定了低通滤波器的带宽后，假设带宽为0～f_max，则正弦门控APD模块的正弦门控噪声信号的频率可以在之间调节，而硬件参数不需要调节，此时噪声进行偶数倍频后的频率就会大于f_max，因此可以通过带宽为0～f_max的低通滤波器滤除。

为了使系统的工作状态更加稳定，在系统中加入反馈环节，通过反馈使电光调制器的直流偏置更加稳定的工作在理想工作点上。这里提出一种反馈的方法：

如图4所示，以CW波发生器为光源发出连续光，经电光调制器调制和光电探测器转换后输入低通滤波器，引出低通滤波器的输出电压值作为反馈信号，通过微调直流偏置稳压源的电压，测得不同的通滤波器的输出电压值，当通滤波器的输出电压值取到最大时，即对应正确的直流偏置稳压源的电压，使低通滤波器的输出电压的功率达到最小，通过反馈调节使电光调制器的直流偏置工作在最佳电压位置，此时电光调制器工作在图3中的A点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

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：包括光源、正弦门控APD模块、直流偏置稳压源、电光调制器、光电探测器、低通滤波器、甄别器，其中所述光源发出的连续光作为电光调制器的光输入；所述直流偏置稳压源用于向电光调制器提供直流偏置；所述正弦门控APD模块用于提供正弦门控噪声信号和雪崩信号，所述正弦门控噪声信号和雪崩信号作为交流电压输入电光调制器；所述电光调制器在直流偏置和正弦门控APD雪崩信号共同作用下对光输入进行调制；所述电光调制器调制后的光信号经过光电探测器转换成电信号后输出；所述低通滤波器用于滤除所述电信号中的正弦门控噪声信号并将雪崩信号输出；所述甄别器对接收的雪崩信号进行计数，实现对单光子输入的计数；所述电光调制器通过控制直流偏置的大小，使得电光调制器对所述正弦门控噪声信号分量进行偶数倍频，对雪崩信号不进行倍频。

2.根据权利要求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：所述低通滤波器的带宽设定为0～f_max，根据低通滤波器的带宽对所述正弦门控噪声信号的频率在之间调节，所述低通滤波器用于滤除偶数倍频后的频率大于f_max的正弦门控噪声信号。

3.根据权利要求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：所述低通滤波器输出的电信号还用于反馈调节，具体为以低通滤波器的输出电压作为反馈信号，对所述直流偏置稳压源的电压进行调节，根据每个直流偏置稳压源调节的电压测得对应的低通滤波器输出电压。