CN107036722A - 超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，具有这样的特征，包括：门脉冲信号发生装置，用于产生幅值、脉宽可调的门脉冲信号；单光子产生装置，用于产生单光子源；容性平衡电路，用于提取初始雪崩信号；低通滤波电路，对初始雪崩信号进行滤除得到有效雪崩信号；以及信号处理显示电路，与低通滤波电路连接，用于对有效雪崩信号进行处理并显示有效雪崩计数，本发明的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统使用脉宽、幅度可调的超短脉冲信号作为门控信号，这样不仅拓展了单光子探测器的工作频率，而且还减小了门信号的有效脉宽，可以有效减低错误计数，在高速探测中仍能保障尖峰噪声的高抑制比，提高了探测器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及高速量子探测领域，具体涉及一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统。
背景技术
近年来，随着量子力学和信息科学的飞速稳步发展,导致了新兴交叉学科——量子信息科学的诞生，其发展为经典信息科学带来的机遇和挑战已引起物理学界和信息学界的广泛关注。目前，量子信息科学的研究中大量采用单光子作为量子信息的载体，因此单光子探测技术起着至关重要的作用。作为近红外通信波段光子的有效检测器件，基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器，不仅具备尺寸小、功耗低、仅需半导体制冷甚至无需制冷、易于集成的生产优势外，还具备探测效率高、暗计数低、时间抖动小，最大计数率高等性能优势。考虑到这些优势，在量子密钥分发、深空探测及通信、激光测距等系统中，InGaAs/InPAPD已被广泛使用。因此，为了满足各领域日益增长的需求，提升系统性能，实现基于InGaAs/InPAPD的高速低噪声单光子探测势在必行。
InGaAs/InPAPD一般具有两种工作模式，即线性模式和盖革模式。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门控盖革模式下以响应单个光子。然而由于APD结电容的微分效应，充放电产生的尖峰噪声会将有效的光生雪崩信号湮没，同时随着门脉冲重复频率的提高，尖峰噪声信号增大，有效雪崩时间缩短，会进一步增大有效雪崩信号的提取难度。因此，如何消除尖峰噪声并从中提取出微弱的有效雪崩信号，是实现门控模式InGaAs/InP APD单光子探测的核心问题，而目前发展较为成熟的方案主要有基于差分平衡技术的等效电容平衡方案、自平衡方案和基于滤波技术的正弦门滤波方案。
基于差分平衡的探测方案的核心在于模拟产生一个与尖峰噪声类似的噪声信号，将其与包含了雪崩信号的APD输出信号通过差模网络抵消，最终提取出有效的雪崩信号。这种技术已经可以实现非常高的尖峰噪声抑制比，但由于其最大工作频率仍局限在百兆赫兹水平，一般只适合特定较窄频域和较低工作频率的探测。
正弦门控技术可一举将门信号重复频率提高到吉赫兹水平，其关键在于APD中的等效结电容对正弦信号的响应不会产生入方波那样的复杂畸变，可根据噪声信号的频谱特性，直接使用滤波器除去尖峰噪声。这种方法电路简单，然而在滤去噪声的同时会将雪崩信号相应的频谱成分也滤掉，破坏了信号的完整性，多次滤波不仅降低雪崩信号的幅度，也会使得时间抖动变大，且由于低频的正弦波对应的脉冲宽度较宽不可调，在低频应用中会引起过量暗计数，造成严重的后脉冲效应，因此这种主要应用于高速单光子探测，工作频率接近于GHz或以上，可调节的工作频率范围有限。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，用于实现高效高速的单光子探测。
本发明提供了一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，具有这样的特征，包括：门脉冲信号发生装置，用于产生幅值、脉宽可调的门脉冲信号；单光子产生装置，用于产生单光子源；容性平衡电路，用于提取初始雪崩信号；低通滤波电路，对初始雪崩信号进行滤除得到有效雪崩信号；以及信号处理显示电路，与低通滤波电路连接，用于对有效雪崩信号进行处理并显示有效雪崩计数，其中，容性平衡电路具有：雪崩信号产生模块，至少具有雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的一端加载有耦合后的门脉冲信号以及直流偏置电压，该雪崩电光二极管与单光子产生装置连接，在单光子源的作用下，产生湮没于尖峰噪声信号中的原始雪崩信号；模拟电容模块，用于模拟雪崩光电二极管的电容特性，一端加载有耦合后的门脉冲信号以及直流偏置电压；差分放大模块，与雪崩信号产生模块以及模拟电容模块分别连接，用于将尖峰噪声进行差分、放大得到初始雪崩信号。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，门脉冲信号发生装置具有信号发生器以及门控信号产生电路，该门控信号产生电路具有用于压窄脉宽的高速比较器、电压可调衰减器以及放大器。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，门脉冲信号的脉宽最窄可小于1纳秒。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，低通滤波电路为低通滤波器，该低通滤波器的截止频率范围为700MHz～1GHz。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，信号处理显示电路具有放大有效雪崩信号的放大器、模数转换器以及显示元件。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，显示元件为高效数字信号示波器或时间相关单光子计数仪。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，雪崩信号产生模块还包括第一采样电阻，该第一采样电阻用于采集原始雪崩信号。
在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，模拟电容模块包括模拟电容元件以及第二采样电阻，模拟电容元件为可调电容或高速二极管。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，因为设置了信号发生装置、脉宽可调电路、容性平衡电路以及低通滤波电路，结合了超短脉冲门控低通滤波与容性平衡的方案，所以，本发明的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统简化了电路，降低了成本。另外，本发明的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统使用脉宽、幅度可调的超短脉冲信号作为门控信号，这样不仅拓展了单光子探测器的工作频率，而且还减小了门信号的有效脉宽，可以有效减低错误计数，在高速探测中仍能保障尖峰噪声的高抑制比，提高了探测器的性能。
附图说明
图1是本发明的实施例中超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统的原理框图；
图2是本发明的实施例中超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统的装置结构图；
图3是本发明的实施例中工作频率为100MHz时尖峰噪声和有效雪崩信号示意图；以及
图4是本发明的实施例中工作频率为1GHz时尖峰噪声和有效雪崩信号示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统作具体阐述。
图1是本发明的实施例中超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统的原理框图；以及图2是本发明的实施例中超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统的装置结构图。
如图1、2所示，超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统100包括门脉冲信号产生装置10、单光子产生装置20、容性平衡电路30、低通滤波电路40以及信号处理电路50。
门脉冲信号产生装置10包括信号发生器11以及门控信号产生电路12。
信号发生器11用于产生方波信号。
门控信号产生电路12包括高速比较器、电压可调衰减器以及放大器，高速比较器用于将产生的方波信号的脉宽压窄，脉宽压窄的方波信号经过电压可调衰减器以及放大器之后生成幅值、脉宽可调的门脉冲信号，门脉冲信号的脉宽最窄可小于1纳秒。在本实施例中，电压可调衰减器为宽带宽、低相移的电压可调衰减器，具有较高的可调量程。
单光子产生装置20包括激光器21、可调衰减器22以及光纤23。激光器21产生单光子源，单光子源经可调衰减器22以及光纤23后加载到容性平衡电路30中。
容性平衡电路30包括雪崩信号产生模块31、模拟电容模块32以及差分放大模块33。
雪崩信号产生模块31包括雪崩光电二极管311以及第一采样电阻312。
雪崩光电二极管311的阴极加载有直流偏置高压以及通过电容加载的门脉冲信号。雪崩光电二极管311与光纤23连接，在单光子源的激发下产生湮没于尖峰噪声信号中的原始雪崩信号。
第一采样电阻312与雪崩光电二极管311连接，用于采集原始雪崩信号。
模拟电容模块32包括模拟电容元件321以及第二采样电阻322。
模拟电容元件321为可调电容或高速二极管，阴极加载有直流偏置高压以及通过电容加载的门脉冲信号。模拟电容元件321用于模拟雪崩光电二极管311的电容特性产生于尖峰噪声类似的微分信号。在本实施例中，模拟电容元件为高速二极管。
第二采样电阻322与模拟电容元件321连接，用于采集微分信号。
差分放大模块33包括差分网络331以及放大器332。
差分网络331对尖峰噪声以及微分信号进行差分相减。
放大器332与差分网络331连接，用于得到隐藏在尖峰噪声中的初始雪崩信号。在本实施例中，放大器332为射频放大器。
低通滤波电路40为低通滤波器，用于滤除门脉冲信号以及尖峰噪声得到有效雪崩信号。低通滤波器的截止频率为700MHz～1GHz。在本实施例中，低通滤波器的截止频率为700MHz。
信号处理电路50包括放大器51、模数转换器52以及显示元件53。放大器51用于放大有效雪崩信号，有效雪崩信号经模数转换器52后送入显示元件53进行显示有效雪崩计数。显示元件53为高速数字信号示波器或时间相关单光子计数仪。在本实施例中，显示元件53为位高速数字信号示波器。
超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统100的工作原理为：信号发生器11产生方波信号，通过门控信号产生电路12生成脉宽、幅值可调的门脉冲信号，门脉冲信号通过电容加载在雪崩光电二极管311和高速二极管的阴极，同时在二者阴极耦合直流偏置电压，雪崩光电二极管311在单光子源的激发下产生尖峰噪声，调整高速二极管阴极的偏置电压的大小来调整高速二极管的等效电容值，产生与雪崩光电二极管311尖峰噪声类似的微分信号。将雪崩光电二极管311和高速二极管产生的尖峰噪声以及微分信号在阳极通过第一采样电阻312以及第二采样电阻322采集，分别将其送入差分网络331中进行差分相减，再经放大器332得到初始雪崩信号。低通滤波器滤除门脉冲信号以及尖峰噪声，提取出有效雪崩信号。有效雪崩信号51放大器，再经模数转换器52送入高速数字信号示波器，即可观察有效雪崩计数。
图3是本发明的实施例中工作频率为100MHz时尖峰噪声和有效雪崩信号示意图。
如图3所示，门脉冲重复频率为100MHz时，无光和有光入射条件下通过容性平衡和放大之后的信号分别如图3(a)(b)所示，尖峰噪声的峰峰值达到～300mV，雪崩信号的幅度高出尖峰噪声约100mV，可通过雪崩信号输出处理电路设置比较阈值轻易将有效雪崩信号提取出来，得到较高的信噪比。
图4是本发明的实施例中工作频率为1GHz时尖峰噪声和有效雪崩信号示意图。
如图4所示，门脉冲重复频率为1GHz时，在无光和有光入射条件下通过容性平衡和放大之后的信号分别如图4(a)(b)所示，尖峰噪声的峰峰值达到～200mV，而雪崩信号仅高于噪声～30mV，噪声抑制比未能达到理想水平。通过对尖峰噪声信号进行频谱特性分析，将经过容性平衡电路的雪崩信号送入低通滤波器，将尖峰噪声抑制至热噪声水平，即可提取出有效雪崩信号，如图4(c)所示，此时雪崩信号的幅值远高于尖峰噪声，尖峰噪声的抑制比可达到～30dB。
实施例的作用与效果
根据本实施例的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，因为设置了信号发生装置、脉宽可调电路、容性平衡电路以及低通滤波电路，结合了超短脉冲门控低通滤波与容性平衡的方案，所以，本发明的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统简化了电路，降低了成本。另外，本发明的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统使用脉宽、幅度可调的超短脉冲信号作为门控信号，这样不仅拓展了单光子探测器的工作频率，而且还减小了门信号的有效脉宽，可以有效减低错误计数，在高速探测中仍能保障尖峰噪声的高抑制比，提高了探测器的性能。
另外，本实施例的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中的低通滤波器的截止频率为700MHz，在1GHz处抑制比达～40dB，在低速和高速探测中均能发挥良好的作用。
此外，本实施例的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统可实现在不改变任何元器件的条件下，探测器的工作重复频率可在相对较大的范围内连续可调，可调范围在几兆赫兹至吉赫兹以上。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，用于实现高效高速的单光子探测，其特征在于，包括：
门脉冲信号发生装置，用于产生幅值、脉宽可调的门脉冲信号；
单光子产生装置，用于产生单光子源；
容性平衡电路，用于提取初始雪崩信号；
低通滤波电路，对所述初始雪崩信号进行滤除得到有效雪崩信号；以及
信号处理显示电路，与所述低通滤波电路连接，用于对所述有效雪崩信号进行处理并显示有效雪崩计数，
其中，所述容性平衡电路具有：
雪崩信号产生模块，至少具有雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的一端加载有耦合后的所述门脉冲信号以及直流偏置电压，该雪崩电光二极管与所述单光子产生装置连接，在所述单光子源的作用下，产生湮没于尖峰噪声信号中的原始雪崩信号；
模拟电容模块，用于模拟所述雪崩光电二极管的电容特性，一端加载有耦合后的所述门脉冲信号以及所述直流偏置电压；
差分放大模块，与所述雪崩信号产生模块以及所述模拟电容模块分别连接，用于将所述尖峰噪声进行差分、放大得到所述初始雪崩信号。
2.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述门脉冲信号发生装置具有信号发生器以及门控信号产生电路，该门控信号产生电路具有用于压窄脉宽的高速比较器、电压可调衰减器以及放大器。
3.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述门脉冲信号的脉宽最窄可小于1纳秒。
4.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述低通滤波电路为低通滤波器，该低通滤波器的截止频率范围为700MHz～1GHz。
5.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述信号处理显示电路具有放大所述有效雪崩信号的放大器、模数转换器以及显示元件。
6.根据权利要求5所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述显示元件为高效数字信号示波器或时间相关单光子计数仪。
7.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述雪崩信号产生模块还包括第一采样电阻，该第一采样电阻用于采集所述原始雪崩信号。
8.根据权利要求1所述的高速低噪声单光子探测系统，其特征在于：
其中，所述模拟电容模块包括模拟电容元件以及第二采样电阻，所述模拟电容元件为可调电容或高速二极管。
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