CN108072453A - 容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统，其包括容性平衡模块和自差分平衡模块，容性平衡模块和自差分平衡模块相连；容性平衡模块包括第一发光二极管、第一电阻、第二电阻、第一可调电容、可调电阻、差分器、第一放大器，第一发光二极管与第一电阻相连等；自差分平衡模块包括功分器、可调移相器、可调衰减器、差分器、第二放大器，可调移相器和可调衰减器都位于功分器和差分器内侧等。本发明能够提高高速高效的近红外单光子探测，且在高速探测应用中保障了噪声信号的高抑制比和不改变任何元器件的条件下，探测器的工作重复频率在一定范围内连续可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速单光子探测系统，特别是涉及一种容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统。
背景技术
近红外单光子探测器在通信波段的应用中，最受关注的热点领域之一就是量子密钥分发技术。为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)。目前，在1550nm通信波段最广泛使用的单光子探测器件即为InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)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。
InGaAs/InP APD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盖革模式下以响应单个光子。然而由于在盖革模式下，光生雪崩载流子迅速饱和输出，短时间内无法恢复以再次响应光子信号，同时自持雪崩过久会造成APD损坏，因此雪崩发生后必须使其停止下来，即雪崩抑制。目前InGaAs/InP APD一般采用门控模式进行雪崩抑制，然而由于APD的容性效应，充放电产生的尖峰噪声会将有效的雪崩信号湮没，因此只有消除这种尖峰噪声才能提取出雪崩信号。如何从尖峰噪声中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，也是近 年来单光子探测重点研究的技术之一。
实现门控InGaAs/InP APD单光子探测，其核心在于降低微分噪声的幅度和提高雪崩信号的甄别度，而目前最具代表性同时发展较为成熟的方案即为基于平衡方案的探测技术和正弦门滤波技术。
基于平衡方案的探测技术是目前单光子探测中最普遍采用也是效果最好的一种方法，其核心思想在于模拟产生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，从而提取出有效的雪崩信号。这种方法电路实现简单且对噪声抑制比高，国际上多个研究小组提出了多种平衡方法，其中包括同轴电缆反射平衡、双APD平衡、可调电容平衡和自差分平衡。同轴电缆反射平衡法可以获得～17dB噪声抑制比，但对电缆线的电学特性以及电路设计的要求较高；双APD平衡法可获得较高的噪声抑制比，但只有一个APD处于探测状态造成资源浪费，大大提高了生产成本；可调电容平衡法利用电容特性相同或相似的电容(实际电路中采用高速二极管)替代双APD平衡法中的一个APD，相对降低成本但其工作频率范围有限；自差分平衡方法相比可获得更高的噪声抑制比，但使用这种方法的探测器只能工作在固定频率，无法实现探测器工作频率连续可调。正弦门滤波技术主要应用于GHz的高速探测，根据噪声的频谱特性直接滤除尖峰噪声提取雪崩信号，这种方法可实现高速探测，但滤波技术易导致雪崩信号失真，破坏了信号的完整性，引起时间抖动变大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统，其能够提高高速高效的近红外单光子探测，且在高速探测应用中保障了噪声信号的高抑制比和不改变任何元器件 的条件下，探测器的工作重复频率在一定范围内连续可调。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统，其包括容性平衡模块和自差分平衡模块，容性平衡模块和自差分平衡模块相连；容性平衡模块包括第一发光二极管、第一电阻、第二电阻、第一可调电容、可调电阻、差分器、第一放大器，第一发光二极管与第一电阻相连，第二电阻和第一可调电容相连，第一可调电容和可调电阻相连，第一电阻和第二电阻都与差分器相连，差分器和第一放大器相连；自差分平衡模块包括功分器、可调移相器、可调衰减器、差分器、第二放大器，可调移相器和可调衰减器都位于功分器和差分器内侧，可调移相器位于可调衰减器的上方，差分器和第二放大器相连。
优选地，所述该原理包括第二发光二极管、二极管、第二可调电容、第一信号、第二信号、宽带差分模块、雪崩信号，二极管与第二可调电容可相互替换，第二发光二极管传输信号给第一信号，第二可调电容传输型号给第二信号，第一信号和第二信号都传输给宽带差分模块，宽带差分模块的信号传输给雪崩信号。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够提高高速高效的近红外单光子探测，且在高速探测应用中保障了噪声信号的高抑制比和不改变任何元器件的条件下，探测器的工作重复频率在一定范围内连续可调。
附图说明
图1为本发明容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统的示意图。
图2为本发明容性平衡模块的原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统包括容性平衡模块和自差分平衡模块，容性平衡模块和自差分平衡模块相连；容性平衡模块包括第一发光二极管APD1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一可调电容C1、可调电阻R4、差分器1、第一放大器AMP2，第一发光二极管APD1与第一电阻R1相连，第二电阻R2和第一可调电容C1相连，第一可调电容C1和可调电阻R4相连，第一电阻R1和第二电阻R2都与差分器1相连，差分器1和第一放大器AMP2相连；自差分平衡模块包括功分器2、可调移相器3、可调衰减器R3、差分器4、第二放大器AMP2，可调移相器3和可调衰减器R3都位于功分器2和差分器4内侧，可调移相器3位于可调衰减器R3的上方，差分器4和第二放大器AMP2相连。
如图2所示，该原理包括第二发光二极管APD10、二极管D10、第二可调电容C10、第一信号10、第二信号11、宽带差分模块12、雪崩信号13，二极管D10与第二可调电容C10可相互替换，第二发光二极管APD10传输信号给第一信号10，第二可调电容C10传输型号给第二信号11，第一信号10和第二信号11都传输给宽带差分模块12，宽带差分模块12的信号传输给雪崩信号13，由于第二可调电容C10平衡方法中其工作频率范围比较有限，一般只能达到几十兆赫兹，而当门脉冲频率升高时，二极管D10输出信号不会像第二可调电容C10一样产生明显的波形失真，在实际电路中选择与第二发光二极管APD10和第二可调电容C10特性更为接近的二极管D10来代替第二可调电容C10，同时也能满足工作频率连续可调。
本发明的工作原理如下：尖峰噪声的产生主要取决于第一发光二极管结电容的大小，于是可选取与第一发光二极管电容特性相同或相近的可调电容与第一发光二极管并联，也可通过改变电容或二极管的高压来尽可能的模拟第一发光二极管的电容特性，产生类似的尖峰噪声后进入差分网络相减，就能抑制尖峰噪声提取出有效雪崩信号；容性平衡模块的噪声抑制比大 小取决于电容或二极管与第一发光二极管电容特性的相似程度；自差分平衡模块的原理在于将同一个第一发光二极管产生的前后两个噪声信号相互差分，前后两个尖峰噪声由同一个第一发光二极管产生，其波形和形状相似度极高，具有极大的相关性，便可通过差分相减掉对称成分从而抑制尖峰噪声；而若雪崩信号湮没于其中一个尖峰噪声中，则该雪崩信号便会作为非对称成分，在差分后被检出，再经放大后即可被甄别为有效雪崩信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统，其特征在于，其包括容性平衡模块和自差分平衡模块，容性平衡模块和自差分平衡模块相连；容性平衡模块包括第一发光二极管、第一电阻、第二电阻、第一可调电容、可调电阻、差分器、第一放大器，第一发光二极管与第一电阻相连，第二电阻和第一可调电容相连，第一可调电容和可调电阻相连，第一电阻和第二电阻都与差分器相连，差分器和第一放大器相连；自差分平衡模块包括功分器、可调移相器、可调衰减器、差分器、第二放大器，可调移相器和可调衰减器都位于功分器和差分器内侧，可调移相器位于可调衰减器的上方，差分器和第二放大器相连。
2.如权利要求1所述的容性平衡和自差分平衡级联的高速单光子探测系统，其特征在于，所述该原理包括第二发光二极管、二极管、第二可调电容、第一信号、第二信号、宽带差分模块、雪崩信号，二极管与第二可调电容可相互替换，第二发光二极管传输信号给第一信号，第二可调电容传输型号给第二信号，第一信号和第二信号都传输给宽带差分模块，宽带差分模块的信号传输给雪崩信号。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110346054A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 东南大学 | 一种采用微调电阻结构抑制门控尖峰噪声的单光子差分探测电路 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102230828A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-11-02 | 华东师范大学 | 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法 |
| CN102980670A (zh) * | 2012-11-28 | 2013-03-20 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种级联的单光子探测的噪声抑制装置 |
| JP2014202550A (ja) * | 2013-04-03 | 2014-10-27 | オリンパス株式会社 | 複数の波長帯域に於ける単一発光粒子検出を用いた光分析装置及び光分析方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102230828A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-11-02 | 华东师范大学 | 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法 |
| CN102980670A (zh) * | 2012-11-28 | 2013-03-20 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种级联的单光子探测的噪声抑制装置 |
| JP2014202550A (ja) * | 2013-04-03 | 2014-10-27 | オリンパス株式会社 | 複数の波長帯域に於ける単一発光粒子検出を用いた光分析装置及び光分析方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 梁焰: "《基于InGaAs/InP APD高速单光子探测方法及应用》", 《中国博士学位论文全文数据库》 * |
| 简轶: "《基于光平衡的单光子探测》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110346054A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 东南大学 | 一种采用微调电阻结构抑制门控尖峰噪声的单光子差分探测电路 |
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