CN108168717A - 光子数分辨平衡探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子数分辨平衡探测器，包括光子数分辨平衡电路、正向偏压电路、负向偏压电路、信号放大预处理电路和雪崩信号提取鉴别电路。该平衡探测器采用一对匹配良好的光子数分辨探测模块来接收光波信号，其特有的光子数分辨本领能够克服死时间对光子探测的影响，可同时响应相干混频信号和背景噪声。通过将这对光子数分辨探测模块的输出响应进行差分处理，能够使相干混频信号被差分放大而背景噪声被差分抑制。本发明具备了背景噪声抑制能力并实现了较高的共模抑制比，最终将相干探测的灵敏度提升至光子量级。能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整光子数分辨探测模块的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器，特别是一种基于光子数分辨探测技术的光子数分辨平衡探测器，属于高灵敏度探测和光量子通信领域。
背景技术
光学相干探测技术通过将信号光和本振光混频后，利用平衡探测器接收相干混频信号并进行差分放大，从而实现很高的共模抑制比和探测灵敏度，有利于增加相干探测系统的作用距离；另外，配合高速调制和解调技术可以提取出光波信号的多普勒频移和相位信息，有利于增加探测信息量。广泛应用于相干激光雷达，相干光通信、量子通信等领域。而平衡探测器作为光学相干探测技术的核心关键器件，一般通过一对匹配良好的普通光电二极管来接收相干混频信号，再利用差分放大技术来抑制背景光、尖峰脉冲等共模噪声，从而实现高灵敏度的微弱信号检测能力。
传统的平衡探测器采用普通光电二极管来接收相干混频信号，由于受到普通光电二极管的探测性能制约，其难以实现光子量级的探测灵敏度。即便采用性能更优良的线性模式雪崩光电二极管(Linear mode avalanche photodiode,LMAPD)，其探测灵敏度仍然无法达到光子量级。在门控模式的单光子探测中，为了能够消除门控信号引入的尖峰脉冲，盖革模式雪崩光电二极管(Geiger mode avalanche photodiode,GMAPD)被设计为平衡探测方式，通过一对匹配良好的GMAPD配以平衡电路来达到尖峰脉冲抑制的目的，但其对于背景噪声抑制而言是无能为力的，因而本质上并不能称为平衡探测器。最主要的原因在于，GMAPD存在死时间的明显缺陷，当GMAPD探测到一个光子事件时会产生雪崩现象，在淬灭电路完成对雪崩信号进行抑制之前，GMAPD无法响应新的光子事件。死时间的存在严重降低了GMAPD的光子探测效率，使得GMAPD无法同时响应相干混频信号和背景噪声，因而也无法抑制背景噪声。虽然采用主被动结合的猝灭电路可以使死时间缩短到纳秒量级，但是在众多的单光子探测应用场合，例如激光雷达、激光通信等，必须考虑死时间对光子探测效率的影响。总而言之，截至目前仍然没有一款能够达到光子量子探测灵敏度的平衡探测器。
为了抑制背景噪声干扰，提高光子量级微弱信号的探测灵敏度，必须克服死时间对微弱信号探测的影响。只有在同一时刻既响应到相干混频信号又响应到背景噪声，才能在后续的差分放大中消除背景噪声，提高共模抑制比进而提高相干混频信号的探测灵敏度。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了光子数分辨平衡探测器。该探测器不仅能够实现光子量级微弱信号的相干探测，还具备光子数分辨能力，可以同时响应相干混频信号和背景噪声而几乎不受死时间的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：光子数分辨平衡探测器，该平衡探测器包括光子数分辨平衡电路、正向偏压电路、负向偏压电路、信号放大预处理电路、雪崩信号提取鉴别电路；所述的光子数分辨平衡电路包括第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块，用于同时接收两路相干混频信号；所述的正向偏压电路包括第一反馈控制模块和第一偏压驱动模块；所述的负向偏压电路包括第二反馈控制模块和第二偏压驱动模块；所述的信号放大预处理电路包括第一通道信号预处理电路、第二通道信号预处理电路和差分运算放大模块，而第一通道信号预处理电路又包括第一取样电路和第一滤波放大电路，第二通道信号预处理电路也包括第二取样电路和第二滤波放大电路，两个通道的信号由差分运算放大模块进行差分处理，共模信号被差分抑制而差模信号被差分放大；所述的雪崩信号提取鉴别电路包括第一单端信号提取鉴别电路，差分信号提取鉴别电路和第二单端信号提取鉴别电路，而第一单端信号提取鉴别电路又包括第一雪崩信号提取电路和第一雪崩信号鉴别电路，差分信号提取鉴别电路又包括雪崩信号提取电路和雪崩信号鉴别电路，第二单端信号提取鉴别电路又包括第二雪崩信号提取电路和第二雪崩信号鉴别电路；第一单端信号提取鉴别电路和第二单端信号提取鉴别电路分别对第一通道信号预处理电路和第二通道信号预处理电路的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由直接输出端1和3输出；而差分信号提取鉴别电路对差分运算放大模块的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由差分输出端2输出，如此一来，光子数分辨平衡探测器既能够当作单元探测器用于直接探测，由能够当作平衡探测器用于相干探测。
其中，采用了第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块来接收光波信号，能够实现光子量级微弱信号的探测，还具备光子数分辨本领，能够有效克服死时间对光子探测的影响，可同时响应信号光和背景光。
其中，采用了光子数分辨平衡电路，能够将第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块响应的信号光和背景光进行差分处理，由此具备背景噪声抑制能力。
其中，采用了光子数分辨平衡电路，能够将探测模块和电路产生的共模信号和尖峰脉冲进行差分抑制，由此提高探测器的信噪比和共模抑制能力。
其中，采用了第一反馈控制模块和第二反馈控制模块分别对正向偏压和负向偏压进行反馈控制，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
其中，采用了雪崩信号提取鉴别电路对单端信号和差分信号分别处理，可同时输出单个探测模块的直接信号和两个探测模块的差分信号，既能够用于直接探测，又能够用于相干探测。
本发明的原理在于：本发明采用了一对匹配良好的光子数分辨探测模块(即第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块)来接收相干混频信号。这两个光子数分辨探测模块均由大量的具有单光子探测能力的微像元组成，当某一个微像元响应光子事件进入死时间时，其他的微像元仍然能够响应后续的光子事件。如此一来，死时间对光波信号探测的影响几乎可以忽略不计，大量微像元又使得光子数分辨探测模块具备了光子数分辨能力，能够同时响应相干混频信号和背景噪声。第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块响应的相干混频信号和背景噪声，经过后续的信号放大预处理电路进行差分处理后，差模信号(相干混频信号)得到放大而共模信号(背景噪声，探测模块自身噪声等)被差分抑制，最终使得相干混频信号的频谱能够被有效地识别出来，从而实现光子量级灵敏度的光学相干探测。
所述的光子数分辨平衡电路中，由第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块完成对相干混频信号和背景光的探测接收。
所述的正向偏压电路和负向偏压电路，分别为第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块提供偏置电压，使得探测模块工作在单光子探测模式，并根据接收到的光信号强度来调整电压偏置量，确保光子数分辨探测器能够在宽动态范围内稳定工作；
所述的信号预处理电路，主要完成对第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的输出响应进行取样、滤波放大和差分处理，对差模信号进行差分放大而对共模信号进行差分抑制，从而提高共模抑制比和探测灵敏度；
所述的雪崩信号提取鉴别电路，根据设定的阈值对第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的雪崩输出响应进行提取和鉴别，最终作为光子数分辨探测器的输出信号。多元输出方式使得光子数分辨平衡探测器既能够用于直接探测，又能够用于相干探测。
与现有技术相比，本发明所述的光子数分辨平衡探测器的优势在于：
该平衡探测器具备光子数分辨能力，能够同时响应相干混频信号和背景噪声，有利于运用差分技术抑制背景噪声，提高相干探测的共模抑制比和探测灵敏度；
该平衡探测器采用了光子数分辨探测模块，本质上属于光子计数体制范畴，有利于将现有平衡探测技术的探测灵敏度提升至光子量级；
该平衡探测器采用了偏压反馈控制方式，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整光子数分辨探测模块的增益，有利于提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
附图说明
图1为本发明光子数分辨探测器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、光子数分辨平衡探测器方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出的光子数分辨平衡探测器，包括光子数分辨平衡电路100、正向偏压电路200、负向偏压电路300、信号放大预处理电路400、雪崩信号提取鉴别电路500。
所述的光子数分辨平衡电路100包括第一光子数分辨探测模块110和第二光子数分辨探测模块120，用于同时接收两路相干光混频信号；这里采用了一对具有光子数分辨能力的光电探测器件，目前具备光子数分辨能力的探测器件包括GMAPD阵列探测器、硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)以及超导纳米线单光子探测器(SuperconductingNanowire Single Photon Detection,SNSPD)。这几种元器件的工作波段有所差别，有的工作在可见光波段，有的工作在近红外波段，具体可根据平衡探测器的工作波段来选择具体的光电探测器件。
所述的正向偏压电路200包括第一反馈控制模块210和第一偏压驱动模块220。采用了第一反馈控制模块210对正向偏压进行反馈控制，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整第一光子数分辨探测模块110的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
所述的负向偏压电路300包括第二反馈控制模块310和第二偏压驱动模块320。采用了第二反馈控制模块310对负向偏压进行反馈控制，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整第二光子数分辨探测模块120的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
所述的信号预处理电路400包括第一通道信号预处理电路410、第二通道信号预处理电路420和差分运算放大模块430，而第一通道信号预处理电路410又包括第一取样电路411和第一滤波放大电路412，第二通道信号预处理电路420也包括第二取样电路421和第二滤波放大电路422，第一通道和第二通道的输出信号由差分运算放大模块430进行差分处理，最终的共模信号被差分抑制而差模信号被差分放大。
所述的雪崩信号提取鉴别电路500包括第一单端信号提取鉴别电路510，差分信号提取鉴别电路520和第二单端信号提取鉴别电路530，而第一单端信号提取鉴别电路510又包括第一雪崩信号提取电路511和第一雪崩信号鉴别电路512，差分信号提取鉴别电路520又包括雪崩信号提取电路521和雪崩信号鉴别电路522，第二单端信号提取鉴别电路530又包括第二雪崩信号提取电路531和第二雪崩信号鉴别电路532。第一单端信号提取鉴别电路510和第二单端信号提取鉴别电路530分别对第一通道信号预处理电路410和第二通道信号预处理电路420的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由直接输出端1和3输出；而差分信号提取鉴别电路520对差分运算放大模块430的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由差分输出端2输出。如此一来，光子数分辨平衡探测器既能够当作单元探测器用于直接探测，由能够当作平衡探测器用于相干探测。
为了更详细地说明光子数分辨平衡探测的基本原理，这里设入射到第一光子数分辨探测模块110和第二光子数分辨探测模块120的相干混频信号和背景噪声的率函数分别为：
这里的nS、nR和nBG分别为信号光、本振光和背景光等产生的平均初始电子数，ωIF为相干混频信号的频率，为干混频信号的相位。假设某一个微像元对第一个光子事件的响应函数为ξi,x,y,1(t)，这里的i＝1,2为光子数分辨探测模块编号，x和y分别表示微像元在光子数分辨探测模块水平和竖直方向上的序号。当第一个光子事件响应结束后该微像元进入死时间(td)，随后等待第二个光子事件的发生，如此循环往复直到第(n+1)个光子事件的发生，对应的响应函数为ξi,x,y,n+1(t)。另外，考虑到死时间的影响，某一个微像元在时间间隔(ti,x,y,ti,x,y+Ndtd)内最多能响应的光子事件数量为Nd，由此得到该微像元在时间间隔(ti,x,y,ti,x,y+Ndtd)内的光子事件响应函数为：
这里的ti,x,y为光子数分辨探测模块中某一个微像元响应光子事件的时刻，td为微像元的死时间。由于光子数分辨探测模块由大量的微像元组成(在此设为NH×NV)，因此其在同一个时间间隔内的光子事件响应函数是所有微像元响应函数的叠加。这样，光子数分辨探测模块的总响应函数可以表示为：
由于光子数分辨探测模块中每个微像元响应光子事件的时刻各不相同，相应地响应函数δ(t-ti,x,,y-ntd)的延迟也是不尽相同的。也就是说，光子数分辨平衡探测器的输出响应函数实质上是大量冲激响应的叠加，正是这种独特的方式使得光子数分辨探测模块合并输出后既具有光子数分辨能力(能够同时响应信号光和背景光)，又能够较好地克服单个微像元的死时间影响，从而提高光子探测效率。虽然单个微像元响应的脉冲仅存在统计特征，但是随着微像元规模的增大，将所有微像元合并后的输出响应便具有与输入信号相一致的特性，这恰恰就是光子数分辨探测模块实现平衡探测的关键所在。在此将第一光子数分辨探测模块110和第二光子数分辨探测模块120所有微像元合并后的输出响应函数进行差分处理后简写为：
这里的r为响应系数，m为冲激响应序号，Nm为冲激响应的数量。为了提取出信号光和本振光之间的频移信息，对输出响应函数ξ(t)作傅里叶变换得到：
考虑到F(ω)属于周期函数且仅在一个完整周期的两个频率点(ωIF和-ωIF)存在响应，在此仅取一个周期并忽略负频率点处的响应后得到：
显然，从傅里叶变换频谱Fˊ(ω)中可以提取出相干混频信号的频率ωIF，从而获取得到被测目标的频移信息，最终实现光子量级灵敏度的光学相干探测。
Claims (6)
1.光子数分辨平衡探测器，其特征在于：该平衡探测器包括光子数分辨平衡电路(100)、正向偏压电路(200)、负向偏压电路(300)、信号放大预处理电路(400)、雪崩信号提取鉴别电路(500)；所述的光子数分辨平衡电路(100)包括第一光子数分辨探测模块(110)和第二光子数分辨探测模块(120)，用于同时接收两路相干混频信号；所述的正向偏压电路(200)包括第一反馈控制模块(210)和第一偏压驱动模块(220)；所述的负向偏压电路(300)包括第二反馈控制模块(310)和第二偏压驱动模块(320)；所述的信号放大预处理电路(400)包括第一通道信号预处理电路(410)、第二通道信号预处理电路(420)和差分运算放大模块(430)，而第一通道信号预处理电路(410)又包括第一取样电路(411)和第一滤波放大电路(412)，第二通道信号预处理电路(420)也包括第二取样电路(421)和第二滤波放大电路(422)，两个通道的信号由差分运算放大模块(430)进行差分处理，共模信号被差分抑制而差模信号被差分放大；所述的雪崩信号提取鉴别电路(500)包括第一单端信号提取鉴别电路(510)，差分信号提取鉴别电路(520)和第二单端信号提取鉴别电路(530)，而第一单端信号提取鉴别电路(510)又包括第一雪崩信号提取电路(511)和第一雪崩信号鉴别电路(512)，差分信号提取鉴别电路(520)又包括雪崩信号提取电路(521)和雪崩信号鉴别电路(522)，第二单端信号提取鉴别电路(530)又包括第二雪崩信号提取电路(531)和第二雪崩信号鉴别电路(532)；第一单端信号提取鉴别电路(510)和第二单端信号提取鉴别电路(530)分别对第一通道信号预处理电路(410)和第二通道信号预处理电路(420)的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由直接输出端1和3输出；而差分信号提取鉴别电路(520)对差分运算放大模块(430)的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由差分输出端2输出，如此一来，光子数分辨平衡探测器既能够当作单元探测器用于直接探测，由能够当作平衡探测器用于相干探测。
2.根据权利要求1所述的光子数分辨平衡探测器，其特征在于：采用了第一光子数分辨探测模块(110)和第二光子数分辨探测模块(120)来接收光波信号，能够实现光子量级微弱信号的探测，还具备光子数分辨本领，能够有效克服死时间对光子探测的影响，可同时响应信号光和背景光。
3.根据权利要求1所述的光子数分辨平衡探测器，其特征在于：采用了光子数分辨平衡电路(100)，能够将第一光子数分辨探测模块(110)和第二光子数分辨探测模块(120)响应的信号光和背景光进行差分处理，由此具备背景噪声抑制能力。
4.根据权利要求1所述的光子数分辨平衡探测器，其特征在于：采用了光子数分辨平衡电路(100)，能够将探测模块和电路产生的共模信号和尖峰脉冲进行差分抑制，由此提高探测器的信噪比和共模抑制能力。
5.根据权利要求1所述的光子数分辨平衡探测器，其特征在于：采用了第一反馈控制模块(210)和第二反馈控制模块(310)分别对正向偏压和负向偏压进行反馈控制，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整第一光子数分辨探测模块(110)和第二光子数分辨探测模块(120)的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。
6.根据权利要求1所述的光子数分辨平衡探测器，其特征在于：采用了雪崩信号提取鉴别电路(500)对单端信号和差分信号分别处理，可同时输出单个探测模块的直接信号和两个探测模块的差分信号，既能够用于直接探测，又能够用于相干探测。
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