CN107843350B - 一种基于采样的可调频高速近红外单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于采用的可调频高速近红外单光子探测器。采用高速（500MHz以上）高精度（8bits以上）模拟数字转换器（ADC）来对雪崩光电二极管（APD）探测信号进行数字采样，并将采样时钟与APD门控信号同步，使得门控重复频率改变之后，ADC仍然能够对每个门控输出信号进行采样，并且通过高速FPGA进行后续处理，以获得实时结果。本发明不但实现高速的通信波段的单光子探测，而且其重复频率可以连续调节，能够更好的满足各种应用需求，促进高速单光子探测器的实用化、商业化。
Description
技术领域
本发明涉及近红外波段单光子探测，特指基于InGaAs/InP重复频率可调的高速单光子探测器。
背景技术
上世纪九十年代以来，量子计算、量子通信、量子成像等量子技术开始迅猛发展。单光子探测器作为量子密钥分发系统中十分关键的设备，其指标参数直接决定了量子通信系统的性能，如通信速率、安全通信距离等。目前在近红外波段的单光子探测器中，基于超导器件的单光子探测具有噪声低、计数率高等优势，但是劣势也很明显，如成本昂贵、体积庞大、工作条件要求苛刻等，使得其实际应用受到限；参量上转换单光子探测器优点是探测效率高、暗计数低，但是同样有系统复杂、需要强泵浦光的缺点，以及可探测光谱频段极窄。因此目前实际应用较多的是基于半导体材料的单光子探测器。在近红外波段使用的主要的基于InGaAs/InP雪崩光电二极管。
目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的单光子探测器主要采用自由模式和门控模式。对于自由模式，其优点是单光子源可以在任意时刻到达探测器，但是其由于其死时间较长，使得其重复频率受限，只能工作在低速下，并且暗计数较大。
为了克服单光子探测器的暗计数，量子密钥分发系统所需探测器基本都工作在门控模式下。目前，探测器的门控信号主要有两种，一种是正弦波门控，一种是方波门控。对于正弦波门控单光子探测器而言，由于正弦波单一频率的性质，尖峰噪声同样具有单一的频率(当然也可能包含较小幅度的高次谐波成分)，可以通过有限的滤波器件来完成尖峰噪声的抑制。对于方波门控单光子探测器而言，由于尖峰噪声的频谱范围很宽，其噪声抑制技术难度较大。目前效果最为理想的是自差分技术。但是不管是正弦门控还是方波门控，这些高速单光子探测器都是固定单一重复频率，对于每个高速单光子探测器其重复频率不可改变。这是因为采用正弦门控方式时，必须进行带阻滤波，而制作好了的带阻滤波器的中心频率并不能任意可调。故正弦门控的频率不能任意改变。对于采用方波门控，利用自查分方式的的高速单光子探测器，由于自查分两路的长度差是固定的，不能任意改变，因此门控方波的重复频率也要与其匹配，不能随便改变。故而正弦门控方式与自差分方式的高速单光子探测器都没有实现重复频率可调。这些频率不可调的探测器在实际应用中很不方便。研制重复频率可调的高速单光子探测器具有很重要的现实应用意义。
发明内容
本发明要解决的问题是：提供一种新的InGaAs/InP单光子探测器技术，解决正弦滤波和自差分方法带来的弊端——重复频率不可调，实现对近红外波段光进行高速且重复频率可调地探测，推进高速单光子探测器的实用化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用高速(500MHz以上)高精度(8bits以上)模拟数字转换器(ADC)来对雪崩光电二极管(APD)探测信号进行数字采样，并将采样时钟与APD门控信号同步，使得门控重复频率改变之后，ADC仍然能够对每个门控输出信号进行采样，并且通过高速FPGA进行后续处理，以获得实时结果。外部控制的正弦时钟信号通过输入端输入，首先经过功率分束器分为两部分，一部分用作ADC的控制时钟，另一部分经过延时、放大、直流耦合等处理，作为APD的门控信号。通过延时调节，使得ADC在每个时钟内都能采集到APD输出信号的同一位置，该位置为雪崩信号最大值处。通过FPGA比较ADC的采样值，判断是否有雪崩信号的产生，以确定是否探测到光子。
本发明的有益效果是:不但实现高速的通信波段的单光子探测，而且其重复频率可以连续调节，能够更好的满足各种应用需求，促进高速单光子探测器的实用化、商业化。
附图说明
图1所示的是本单光子探测器的外部输入输出简明结构图，
图2所示的是本单光子探测器的内部详细结构图，
图3所示的是APD门控信号和ADC采集时钟信号应该满足的时序关系。
具体实施方式
如图1所示的是本单光子探测器的外部输入输出简明结构图，主要由电信号输入1、光信号输入2、电信号输出3以及220V交流供电电源组成。电信号输入1为正弦电信号，将用于APD门控和APD采集时钟所使用。光信号输入2为所需探测光子的输入接口，通过光纤耦合到APD。电信号输出3将设备所探测到的光子信号进行输出。220V交流电源为整个设备供电。T1、T2、T3、T4为调节按钮，用于调节温度、直流偏压等参数，具体可根据需求设计，显示面板用于显示所需设置的参数。
图2所示的是本单光子探测器的内部详细结构图。由功率分束器、延时调节器、信号放大器、直流耦合器、温度控制盒、APD、ADC等组成。外部输入接口为输入1、输入2端口，输入1即为图1中电信号输入1，输入2为图1中光信号输入2，输出3为图1中电信号输出3。本发明具体实施如下：
1、将外部输入电信号(输入1)通过功分器分为两部分，一部分为APD门控信号，另一部分为采集时钟。功分器采用minicircuits等的已有产品；
2、门控信号连接到延时器，用于调节采集时钟与门控信号的相对延时。延时器通过程序控制延时芯片来实现；
3、经过延时调节的APD门控信号将连接到功率放大器。放大器将APD门控信号电压峰峰值放大到需要的电压；
4、直流耦合器将放大后的APD门控信号与直流偏压DC1进行耦合，得到带有直流偏压的APD门控信号；
5、APD为雪崩光电二极管，本发明主要针对近红外单光子进行探测，可以采用InGaAs/InP等为材料的APD。本单光子探测器中APD被放置在温度控制盒中，该温度控制盒由半导体制冷，实现温度的调节以及稳定控制。直流电压DC1、DC2均由220V交流电转换而成；
6、外部输入光子通过光纤耦合到APD中，当光子处在APD门控信号以内时，该有可能在APD中激发出自由电子，并在反相偏压的作用下产生雪崩形成较大的宏观电流，最后被ADC所采集。ADC由高速高精度的模拟数字转换器构成。FPGA将分析处理ADC的采集结果，分析出探测到的光子的电信号并输出。
如图3所示的是APD门控信号和ADC采集时钟信号应该满足的时序关系，通过步骤2的延时控制器来调节使高速高精度ADC在每个时钟都采集在APD输出信号的同一个位置。图中Vbreak为雪崩光电二极管的雪崩阈值，也即在步骤4中所需加载的直流偏压值。
ADC信号采集过程：
1、ADC在采集时钟的触发下，对于每一个采集时钟，ADC都会对APD的输出电信号进行一次采集，将APD的输出电信号转换成高精度的数字信号，并传输到FPGA；
2、当光信号输入2端口中没有光子输入到APD中，APD中不会产生自由电子以及雪崩信号，此时APD的输出电信号为图3中的红色信号----APD没有雪崩时输出信号。此时ADC采集到的电信号电压为图3中V0值；
3、当光信号输入2端口中有光子输入到APD中，APD中可能会激发处自由电子并产生雪崩信号。如果产生了雪崩信号，由于雪崩信号(图3中绿色信号)会与没有雪崩时输出信号进行叠加(红色信号)，此时APD的输出信号为图3中的蓝色信号----APD发生雪崩时输出信号。此时ADC采集到的电信号电压为图3中的V1值；
4、FPGA在V0和V1之间设置一个合适的阈值Vc，将ADC采集输出电压大于Vc的值判定为采集到了光信号，将ADC采集输出电压小于Vc的值判定为未采集到光信号；
实验测试中采用NI5154高速采集卡，APD置于零下30度的温控盒中，在重复频率为1GHz时，测得V0＝-88.28125mV，V1＝-87.5mV。
本探测器通过以下步骤实现探测重复频率可调：
1、欲使探测器工作在1GHz的重复频率时，只需将电信号输入1的频率调节为1GHz，在不给于光输入的情况下，通过调节延时器，使得图3中ADC采集时钟与ADC门控信号具有图3所示的时间关系。即此时ADC采集到的APD输出信号最小；
2、若此时想调节探测器的工作频率，如900MHz。此时只需将电信号输入1的频率调节为900MHz，在不给于光输入的情况下，重新调节延时器，使得ADC采集到的APD输出信号最小。即完成了各信号之间的同步校准。
Claims (1)
1.一种基于采样的可调频高速近红外单光子探测器，采用高速高精度模拟数字转换器来对雪崩光电二极管探测信号进行数字采样，包括功率分束器、延时调节器、信号放大器、直流耦合器、温度控制盒、APD、ADC，其特征在于，将采样时钟与APD门控信号同步，使得门控重复频率改变之后，ADC仍然能够对每个门控输出信号进行采样，并且通过高速FPGA进行后续处理，以获得实时结果；具体实施如下：
（1）、将外部输入电信号通过功率分束器分为两部分，一部分为APD门控信号，另一部分为采样时钟；
（2）、门控信号连接到延时调节器，用于调节采样时钟与门控信号的相对延时；延时调节器通过程序控制延时芯片来实现；
（3）、经过延时调节的APD门控信号将连接到信号放大器；信号放大器将APD门控信号电压峰值放大到需要的电压；
（4）、直流耦合器将放大后的APD门控信号与直流偏压DC1进行耦合，得到带有直流偏压的APD门控信号；
（5）、APD为雪崩光电二极管，单光子探测器中APD被放置在温度控制盒中，该温度控制盒实现温度的调节以及稳定控制；直流电压DC1、DC2均由220V交流电转换而成；
（6）、外部输入光子通过光纤耦合到APD中，当光子处在APD门控信号以内时，在APD中激发出自由电子，并在反相偏压的作用下产生雪崩形成较大的宏观电流，最后被ADC所采集；ADC由高速高精度的模拟数字转换器构成；FPGA将分析处理ADC的采集结果，分析出探测到的光子的电信号并输出。
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