CN112393810A - 单光子探测装置和方法 - Google Patents

单光子探测装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112393810A
CN112393810A CN201910759057.2A CN201910759057A CN112393810A CN 112393810 A CN112393810 A CN 112393810A CN 201910759057 A CN201910759057 A CN 201910759057A CN 112393810 A CN112393810 A CN 112393810A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
branch
single photon
sensing device
bias voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910759057.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112393810B (zh
Inventor
梁文烨
吴裕平
魏正军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Priority to CN201910759057.2A priority Critical patent/CN112393810B/zh
Priority to PCT/CN2020/096188 priority patent/WO2021031667A1/zh
Priority to EP20855751.2A priority patent/EP4016021A4/en
Publication of CN112393810A publication Critical patent/CN112393810A/zh
Priority to US17/671,636 priority patent/US11686616B2/en
Application granted granted Critical
Publication of CN112393810B publication Critical patent/CN112393810B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0228—Control of working procedures; Failure detection; Spectral bandwidth calculation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4413—Type
    • G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • G01J2001/4466—Avalanche

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本申请提供的单光子探测装置和方法，属于弱光探测领域，可以应用于弱光成像、光传感、量子密钥分发等不同领域中。该装置包括：反相反射支路、单光子感应器件、正相反射支路；输入信号分成两路，分别到达反相反射之路和单光子感应器件；反相反射支路用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号；单光子感应器件用于将收到的输入信号发送给正相反射支路，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，第一支路信号包括光子信息和反相信号；正相反射支路用于将经过单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；其中，第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息。本申请实施例可以用于对单光子的探测。

Description

单光子探测装置和方法
技术领域
本申请实施例涉及弱光探测技术领域，尤其涉及一种单光子探测装置和方法。
背景技术
光学的传感和测量领域，涉及到对弱光信号进行测量，尤其需要对单光子量级的光信号进行测量。因此产生了对单光子探测器的需求。
目前，单光子探测器的主流控制方式是采用门控驱动电路。首先，在门控时间窗口内，通过短时间地将偏置电压升高到雪崩电压以上，使得单光子感应器件只在这个门控时间窗口内处于雪崩模式；然后在门控时间窗口内，单光子感应器件对入射光子产生响应信号；最后，通过将响应信号提取出来，即可以实现对单光子的探测。在单光子探测过程中，暗计数率是评价单光子探测器的性能的一个重要指标，直接决定了单光子探测对信号探测的信噪比。任何能够降低单光子探测器暗计数率的技术均对单光子探测器的应用有着重要影响。
但是，现有的盖革模式运行的单光子探测器，在一个门控信号周期内，前后有两个正向脉冲经过单光子探测器，增加了额外的后脉冲，使得暗计数的数量增加，降低了单光子探测器的灵敏度。
发明内容
本申请实施例提供一种单光子探测装置和方法，降低了单光子探测时的暗计数，解决单光子探测器灵敏度低的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种单光子探测装置，包括：
反相反射支路，单光子感应器件和正相反射支路，其中，输入信号分成两路，分别到达所述反相反射支路和所述单光子感应器件；
所述反相反射支路，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将所述反相信号发送给所述单光子感应器件；
所述单光子感应器件，用于将收到的输入信号发送给所述正相反射支路，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，所述第一支路信号包括所述光子信息和所述反相信号；
所述正相反射支路，用于将经过所述单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；
其中，所述第一支路信号与所述第二支路信号叠加，得到所述光子信息。
本可能的设计中，所谓反相反射，是指在反射点处，反射信号和入射信号有180度的相位差。以脉冲信号为例，脉冲反相，是指正脉冲变成一个负脉冲。
本可能的设计中，所谓同相反射，是指在反射点处，反射信号和入射信号相位差为0度。
本可能的设计中，输入信号被一分为二，一路通过反相反射支路，一路通过单光子感应器件，通过反相反射支路的输入信号被反相处理(即反相反射支路输出的信号与输入信号相反)，得到反相信号。由于反相信号与输入信号的极性相反，因此在门控时间窗口内，前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，而两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数率。
在第一方面的第一种可能的设计中，所述第一支路信号和所述第二支路信号到达输出端的时间相同。
本可能的设计中，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间相同，因此，第一支路和第二支路叠加之后可以消除掉残余门信号及其带来的电尖峰噪声，得到光子信息。
在第一方面的第二种可能的设计中，所述反相反射支路包括：短路阻抗和第一电容；其中，所述输入信号依次经过所述第一电容、所述短路阻抗，反射生成所述反相信号。
在第一方面的第三种可能的设计中，所述正相反射支路包括：开路阻抗和第二电容；其中，经过所述单光子感应器件的输入信号依次经过所述第二电容、所述开路阻抗之后，反射生成所述第二支路信号。
本可能的设计中，在反相反射支路和正相反射支路中设置第一电容和第二电容，是为了使得第一支路和第二支路的阻抗匹配。这种电路设计方式可以使第一支路信号和第二支路信号中的残余门信号以及由门信号引入的电尖峰噪声能够有效消除，从而提高光子信息的质量，提升单光子探测装置的准确度。
在第一方面的第四种可能的设计中，所述输入信号是由门控信号和偏置电压信号耦合得到。
本可能的设计中，将门控信号和预设的偏置电压信号进行耦合处理，得到输入信号。由于输入信号是经过耦合处理的信号，因此可以减少第一支路和第二支路的阻抗匹配难度。
基于第一方面的第四种可能的设计，在第一方面的第五种可能的设计中，所述装置还可以包括第三电容和第一电感，所述第三电容的一端用于接收所述门控信号，所述第三电容的另一端分别与所述反相反射支路的一端、所述第一电感、所述单光子感应器件的一端连接，所述第一电感的另一端用于接收所述偏置电压信号。
本可能的设计中，经过第三电容的门控信号与经过第一电感的偏置电压信号耦合形成输入信号，该输入信号分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号，该反相信号经过单光子感应器件之后得到第一支路信号；另一路输入信号经过单光子感应器件之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。其中，门控信号经过第三电容之后，与经过第一电感的偏置电压信号叠加，从而可以滤除门控信号和偏置电压信号中的部分噪声信号，方便第一支路和第二支路进行阻抗匹配。
在第一方面的第六种可能的设计中，所述输入信号为门控信号。
基于第一方面的第六种可能的设计中，在第一方面的第七种可能的设计中，所述反相反射支路可以包括：短路阻抗；其中，所述输入信号依次经过所述短路阻抗，反射生成所述反相信号。
基于第一方面的第六种可能的设计中，在第一方面的第八种可能的设计中，所述正相反射支路可以包括：开路阻抗和第二电容，经过所述单光子感应器件的输入信号依次经过所述第二电容和所述开路阻抗，反射生成所述第二支路信号。
基于第一方面的第六种至第八种可能的设计中的任一种，在第一方面的第九种可能的设计中，所述装置还可以包括第三电容和第一电感，所述第三电容的一端用于接收所述反相信号和所述门控信号，所述第三电容的另一端与所述单光子感应器件连接；所述第一电感的一端与所述单光子感应器件连接，所述第一电感的另一端用于接收所述偏置电压信号。
本可能的设计中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容和单光子感应器件的反相信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号构成第一支路信号；经过第三电容和单光子感应器件的另一路输入信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
基于第一方面的第六种至第八种可能的设计中的任一种，在第一方面的第十种可能的设计中，所述装置还可以包括第三电容和第一电感，所述第三电容的一端用于接收所述反相信号和所述门控信号，所述第三电容的另一端分别与所述单光子感应器件、第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端用于接收所述偏置电压信号。
本可能的设计中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容的反相信号与偏置电压信号叠加之后进入单光子感应器件，由该单光子感应器件输出第一支路信号；经过第三电容的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件、正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
基于第一方面的第四、第五、第九种可能的设计中的任一种，在第一方面的第十一种可能的设计中，所述偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态。
值得注意的是，偏置电压信号经过正相反射支路和反向反射支路，并不会改变极性，例如，正偏置电压信号无论经过正相反射电路，还是反向反射电路，反射出来的都是正偏置电压信号，负偏置电压信号无论经过正相反射电路，还是反向反射电路，反射出来的也都是负偏置电压信号。
本可能的设计中，所述预设的偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态，从而可以使得单光子感应器件能够灵敏地对门控信号做出响应。当门控信号与偏置电压信号叠加时，可以使得单光子感应器件在门控信号的时间窗口内处于雪崩状态。当门控信号的时间窗口内有光子时，处于雪崩状态的单光子感应器件能够响应生成光子信息。
基于第一方面的任一种可能的设计，在第一方面的第十二种可能的设计中，所述输入信号从输入端到达输出端的时间为所述门控信号的周期时长的1/2。
基于第一方面的任一种可能的设计，在第一方面的第十三种可能的设计中，当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，所述门控信号为负脉冲信号；或
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阳极时，所述偏置电压信号为负偏压信号，所述门控信号为正脉冲信号。
本可能的设计中，当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，当输入门控信号为负脉冲时，未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。当输入的门控信号为正脉冲时，过程刚好相反。因此，在门控周期内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
基于第一方面任一种可能的设计，在第一方面的第十四种可能的设计中，所述门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
本可能的设计中，方波信号、正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
第二方面，本申请实施例提供一种单光子探测方法，包括：
将输入信号分成两路；
将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号；
感应光子并生成光子信息，输出第一支路信号，其中，所述第一支路信号包括所述光子信息和所述反相信号；
将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；
将所述第一支路信号与所述第二支路信号叠加，得到所述光子信息。
本可能设计中，输入信号被一分为二，一路通过反相反射支路，一路通过单光子感应器件，通过反相反射支路的输入信号被反相处理(即反相反射支路输出的信号与输入信号相反)，得到反相信号。由于反相信号与输入信号的极性相反，因此在门控时间窗口内，前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，而两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
在第二方面的第一种可能的设计中，所述第一支路信号和所述第二支路信号到达输出端的时间相同。
本可能的设计中，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间相同，因此，第一支路和第二支路叠加之后可以消除掉电尖峰噪声，得到光子信息。
在第二方面的第二种可能的设计中，所述将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，包括：
将所述输入信号输入包含第一电容和短路阻抗的反相反射支路，得到所述反相信号。
在第二方面的第三种可能的设计中，所述将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号，包括：
将经过单光子感应器件的输入信号依次经过包含第二电容和开路阻抗的正相反射支路，反射生成所述第二支路信号。
本可能的设计中，所谓反相反射，是指在反射点处，反射信号和入射信号有180度的相位差。以脉冲信号为例，脉冲反相，是指正脉冲变成一个负脉冲。
本可能的设计中，所谓同相反射，是指在反射点处，反射信号和入射信号相位差为0度。
本可能的设计中，在反相反射支路和正相反射支路中设置第一电容和第二电容，是为了使得第一支路和第二支路的阻抗匹配。这种电路设计方式可以使第一支路信号和第二支路信号中的剩余门信号以及由门信号带来的电尖峰噪声能够有效消除，从而提高光子信息的质量，使得单光子探测装置的准确度。
在第二方面的第四种可能的设计中，所述输入信号是由门控信号和偏置电压信号耦合得到的。
本可能的设计中，经过第三电容的门控信号与经过第一电感的偏置电压信号耦合形成输入信号，该输入信号分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号，该反相信号经过单光子感应器件之后得到第一支路信号；另一路输入信号经过单光子感应器件之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
本可能的设计中，将门控信号和预设的偏置电压信号进行耦合处理，得到输入信号。由于输入信号是经过耦合处理的信号，因此可以减少第一支路和第二支路的阻抗匹配难度。
在第二方面的第五种可能的设计中，所述输入信号为门控信号。
基于第二方面的第五种可能的设计，在第二方面的第六种可能的设计中，所述将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，包括：
将所述输入信号输入包含短路阻抗的反相反射支路，得到所述反相信号。
基于第二方面的第五种可能的设计，在第二方面的第七种可能的设计中，所述将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号，包括：
将经过第三电容和单光子感应器件的另一路输入信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号；或者，
将经过第三电容的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件、正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
本可能的设计中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容和单光子感应器件的反相信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号构成第一支路信号；经过第三电容和单光子感应器件的另一路输入信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。或者，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容的反相信号与偏置电压信号叠加之后进入单光子感应器件，由该单光子感应器件输出第一支路信号；经过第三电容的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件、正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
基于第二方面的第四种可能的设计，在第二方面的第八种可能的设计中，所述偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态。
本可能的设计中，所述偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态，从而可以使得单光子感应器件能够灵敏地对门控信号做出响应。当门控信号与偏置电压信号叠加时，可以使得单光子感应器件在门控信号的时间窗口内处于雪崩状态。当门控信号的时间窗口内有光子时，处于雪崩状态的单光子感应器件能够响应生成光子信息。
基于第二方面的任一种可能的设计，在第二方面的第九种可能的设计中，所述输入信号从输入端到达输出端的时间为所述门控信号的周期时长的1/2。
基于第二方面的任一种可能的设计，在第二方面的第十种可能的设计中，当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，所述门控信号为负脉冲信号；或
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阳极时，所述偏置电压信号为负偏压信号，所述门控信号为正脉冲信号。
本可能的设计中，当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，且当门控信号为负脉冲时，未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。而当门控信号为正脉冲时，过程正好相反。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
基于第二方面的任一种可能的设计，在第二方面的第十一种可能的设计中，所述门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
本可能的设计中，方波信号、正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
第三方面，本申请实施例提供一种单光子探测装置，包括：
用于实现第二方面的通信方法的模块，部件或者电路。
第四方面，本申请实施例提供一种芯片，包括：存储器和处理器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行第二方面本申请实施例所述的单光子探测方法。应理解，处理器可以由电路实现，例如，专用硬件电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)等。
本申请中，由于在门控时间窗口内，前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而降低了后脉冲的生成率，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的单光子探测器的一种应用场景示意图；
图2为本申请一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图；
图4为本申请又一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图；
图5为本申请再一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的单光子探测装置的电路结构示意图；
图7为本申请另一实施例提供的单光子探测装置的电路结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的单光子探测装置的信号时序图；
图9为本申请一实施例提供的单光子探测方法的流程示意图。
具体实施方式
图1为本申请实施例提供的单光子探测器的一种应用场景示意图，如图1所示，在量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)系统中，包括：弱相干光源11、调制器12、光纤13、解调器14、单光子探测器15、数据处理器16。其中，弱相干光源11用于生成光子，调制器12用于调整光子的偏振态，光纤13用于将光子传输至解调器14；解调器14将光子进行解调之后传输至单光子探测器15，该单光子探测器15用于探测光子信息，并将光子信息发送给数据处理器16。光子信息可以包括：光子数量、光子接收时刻、光子接收位置等等信息。单光子探测器15的性能直接影响到QKD系统最终的安全密钥率。高效率，低暗计数的探测器将会大大提升量子密钥分发系统的性能，增加其安全密钥生成率。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解：
单光子感应器件，主要包括一个雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)和其外围电路。APD在没有外部电路干预时，雪崩电流会持续不断，直到偏置电压降低。这个过程使得雪崩光电二极管有很长时间无法工作，并带来雪崩二极管击穿损坏的风险。APD单光子探测器的电路均要完成如下功能：(1)甄别：准确鉴别雪崩信号并产生相应的输出信号，并保证尽可能小的附加时间抖动；(2)淬灭：迅速降低偏置电压，让雪崩光电二极管在一段时间内处于非雪崩电压下，终止雪崩过程，防止多余载流子的积存(释放多余载流子)；(3)重置：尽快恢复偏置电压到工作状态，使之能响应下一个入射的光子。
门控驱动电路，在门控时间窗口内，短时间地将偏置电压升高到雪崩电压以上，使雪崩光电二极管只在这个门控时间窗口内处于雪崩模式，因此也可以被看作是以固定的重复频率在不停地“淬灭”-“重置”。由于门控模式驱动的雪崩光电二极管只在门控时间窗口内对入射光子有响应，所以探测门通常需要与信号源的触发频率进行相位同步，以保证信号光都落在探测门的时间窗口内。
下面采用具体的实施例对本申请的通信的方法进行详细说明，需要说明的是，下面几个具体实施例可以相互结合，对于相同或相似的内容，在不同的实施例中不再进行重复说明。
图2为本申请一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图，如图2所示，本实施例中的装置可以包括：反相反射支路21，单光子感应器件22和正相反射支路23，其中，输入信号分成两路，分别到达反相反射支路21和单光子感应器件22；反相反射支路21，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将反相信号发送给单光子感应器件22；单光子感应器件22，用于将收到的输入信号发送给正相反射支路23，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，第一支路信号包括光子信息和反相信号；正相反射支路23，用于将经过单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；其中，第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息。
本实施例中，输入信号被一分为二，一路通过反相反射支路21，另一路通过单光子感应器件22，通过反相反射支路21的输入信号被反相处理(即反相反射支路输出的信号与输入信号的极性相反)，得到反相信号。反相信号作用在单光子感应器件22上时，单光子感应器件22处于工作状态，用于响应入射光子，生成光子信息，得到包含光子信息的第一支路信号。另一路经过单光子感应器件22的输入信号的极性与反相信号的极性相反，因此，该输入信号作用在单光子感应器件22上时，单光子感应器件22不工作。该经过单光子感应器件22的输入信号进行正相反射处理(即正相反射支路的输出信号与输入信号的极性相同)，得到第二支路信号。由于第二支路信号中不包含光子信息，因此第一支路信号和第二支路的信号叠加之后，可以得到光子信息。
需要说明的是，单光子感应器件22自身设置有用于接收光子的端口，光子通过该端口进入单光子感应器件22。当单光子感应器件22处于工作状态下，且有光子经过该端口进入单光子感应器件22时，单光子感应器件22会感应生成光子信息。本实施例不限定与单光子感应器件电连接的光子生成器的具体类型以及其连接关系。
示例性的，单光子感应器件22可以是雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)等等单光子检测器件。
本实施例中，由于反相信号与输入信号的极性相反，因此在门控时间窗口内，前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，而两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
示例性的，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间相同。
本实施例中，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间相同，因此，第一支路和第二支路叠加之后可以消除掉电尖峰噪声，得到纯粹的光子信息。
示例性的，可以设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2。
本实施例中，设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2，这种方式可以充分利用门控信号的时间窗，在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图3为本申请另一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图，如图3所示，本实施例中的装置可以包括：反相反射支路21，单光子感应器件22和正相反射支路23，其中，输入信号分成两路，分别到达反相反射支路21和单光子感应器件22；反相反射支路21，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将反相信号发送给单光子感应器件22；单光子感应器件22，用于将收到的输入信号发送给正相反射支路23，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，第一支路信号包括光子信息和反相信号；正相反射支路23，用于将经过单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；其中，第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息。其中，反相反射支路21包括：短路阻抗211和第一电容212；其中，输入信号依次经过第一电容212和短路阻抗211之后，反射生成反相信号。正相反射支路23包括：开路阻抗231和第二电容232；其中，经过单光子感应器件22的输入信号依次经过第二电容232和开路阻抗231之后，反射生成第二支路信号。
本实施例中，在反相反射支路21和正相反射支路23中设置第一电容212和第二电容232，以及短路阻抗211和开路阻抗231是为了避免单光子感应器件22被短路，并且使得第一支路和第二支路的阻抗匹配。这种电路设计方式可以使第一支路信号和第二支路信号中的剩余门信号以及由门信号带来的电尖峰噪声能够有效消除，从而提高光子信息的质量，使得单光子探测装置的准确度。其中，开路阻抗可以理解为阻抗无穷大，例如电线断开；短路阻抗可以理解为阻抗为零；具体的实现方式有很多种，本申请不做限定。
示例性的，第一电容212和短路阻抗211之间可以通过电缆连接，开路阻抗231和第二电容232之间可以通过电缆连接。本实施例不限定电缆的具体类型，可以采用同轴电缆或者其他电缆。电缆的长度相同，用于控制信号在反相反射支路和正相反射支路的延时时间基本相同。
示例性的，输入信号从输入端到达输出端的时间均小于门控信号的周期时长。
本实施例中，设置输入信号从输入端到达输出端的时间均小于门控信号的周期时长，是为了在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
示例性的，可以输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2。
本实施例中，设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2，这种方式可以充分利用门控信号的时间窗，在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图4为本申请又一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图，如图4所示，本实施例中的装置可以包括：反相反射支路21，单光子感应器件22和正相反射支路23，其中，输入信号分成两路，分别到达反相反射支路21和单光子感应器件22；反相反射支路21，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将反相信号发送给单光子感应器件22；单光子感应器件22，用于将收到的输入信号发送给正相反射支路23，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，第一支路信号包括光子信息和反相信号；正相反射支路23，用于将经过单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；其中，第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息。其中，输入信号可以是由门控信号和偏置电压信号耦合得到。
示例性的，参见图4，上述装置还可以包括第三电容24和第一电感25，第三电容24的一端用于接收门控信号，第三电容24的另一端分别与反相反射支路21的一端、第一电感25、单光子感应器件22的一端连接，第一电感25的另一端用于接收偏置电压信号。
本实施例中，第三电容24的一端可以与门控信号发射器连接，第一电感的另一端可以与偏压端26连接。其中，门控信号发射器用于生成门控信号，偏压端26用于向单光子感应器件22施加偏置电压信号，例如，可以是电压源。
需要说明的是，本实施例不限定门控信号发射器的具体类型，所有能够生成门控信号的电路结构均能够应用于本实施例中。本实施例也不限定偏压端26连接的电压源类型。
本实施例中，第一电感和第三电容起到限制信号的传输方向的作用，避免偏压端的直流信号到达门控信号的输入端；避免门控信号和其他交流信号对偏压端的影响。门控信号为周期信号，门控信号经过第三电容之后，与经过第一电感的偏置电压信号叠加，从而可以滤除门控信号和偏置电压信号中的部分噪声信号，方便第一支路和第二支路进行阻抗匹配。
示例性的，偏置电压信号用于控制单光子感应器件22处于临界击穿状态。
本实施例中，偏置电压信号用于控制单光子感应器件22处于临界击穿状态，从而可以使得单光子感应器件22能够灵敏地对门控信号做出响应。当门控信号与偏置电压信号叠加时，可以使得单光子感应器件在门控信号的时间窗口内处于雪崩状态。当门控信号的时间窗口内有光子时，处于雪崩状态的单光子感应器件22能够响应生成光子信息。
示例性的，当偏置电压信号作用于单光子感应器件22的阴极时，偏置电压信号为正偏压信号；当偏置电压信号作用于单光子感应器件22的阳极时，偏置电压信号为负偏压信号。
本实施例中，当输入的门控信号为负脉冲信号时，偏置电压信号为正偏压信号，且该正偏压信号作用于单光子感应器件22的阴极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
类似的，当输入的门控信号为正脉冲信号时，偏置电压信号为负偏压信号，且该负偏压信号作用于单光子感应器件22的阳极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
示例性的，门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
本可能的设计中，方波信号、正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
示例性的，可以设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2。
本实施例中，设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2，这种方式可以充分利用门控信号的时间窗，在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图5为本申请再一实施例提供的单光子探测装置的结构示意图，如图5所示，本实施例中的装置可以包括：反相反射支路21，单光子感应器件22和正相反射支路23，其中，输入信号分成两路，分别到达反相反射支路21和单光子感应器件22；反相反射支路21，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将反相信号发送给单光子感应器件22；单光子感应器件22，用于将收到的输入信号发送给正相反射支路23，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，第一支路信号包括光子信息和反相信号；正相反射支路23，用于将经过单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；其中，第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息当输入信号为门控信号时，反相反射支路21可以包括：短路阻抗211；其中，输入信号依次经过短路阻抗211之后，反射生成反相信号。正相反射支路23包括：开路阻抗231和第二电容232，经过单光子感应器件22的输入信号依次经过第二电容232和开路阻抗231之后，反射生成第二支路信号。
本实施例中，在反相反射支路21和正相反射支路23中设置第二电容232，以及短路阻抗211和开路阻抗231是为了避免单光子感应器件22被短路，并且使得第一支路和第二支路的阻抗匹配。这种电路设计方式可以使第一支路信号和第二支路信号中的电尖峰噪声能够有效消除，从而提高光子信息的质量，使得单光子探测装置的准确度。
在一种实施方式中，参见图5，上述装置还可以包括：第三电容24和第一电感25，第三电容24的一端用于接收门控信号和反相信号，第三电容24的另一端与单光子感应器件22连接，第一电感25的一端与单光子感应器件22连接，第一电感25的另一端用于接收偏置电压信号。偏压端26与电压源连接，用于向单光子感应器件22施加偏置电压信号。
本实施例中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路21后输出反相信号；经过第三电容24和单光子感应器件22的反相信号与作用在单光子感应器件22上的偏置电压信号构成第一支路信号；经过第三电容24和单光子感应器件22的另一路输入信号与作用在单光子感应器件22上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路23，由该正相反射支路23输出第二支路信号。
在另一种实施方式中，上述装置还可以包括：第三电容24和第一电感25；第三电容24的一端用于接收反相信号和门控信号，第三电容24的另一端分别与单光子感应器件22、第一电感25的一端连接；第一电感25的另一端用于接收偏置电压信号。
本可能的设计中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路21后输出反相信号；经过第三电容24的反相信号与偏置电压信号叠加之后进入单光子感应器件22，由该单光子感应器件22输出第一支路信号；经过第三电容24的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件22、正相反射支路23，由该正相反射支路23输出第二支路信号。
本实施例中，门控信号为周期信号，门控信号经过第三电容之后，与经过第一电感的偏置电压信号叠加，从而可以滤除门控信号和偏置电压信号中的部分噪声信号，方便第一支路和第二支路进行阻抗匹配。
示例性的，偏置电压信号用于控制单光子感应器件22处于临界击穿状态。
本实施例中，偏置电压信号用于控制单光子感应器件22处于临界击穿状态，从而可以使得单光子感应器件22能够灵敏地对门控信号做出响应。当门控信号与偏置电压信号叠加时，可以使得单光子感应器件在门控信号的时间窗口内处于雪崩状态。当门控信号的时间窗口内有光子时，处于雪崩状态的单光子感应器件22能够响应生成光子信息。
示例性的，当偏置电压信号作用于单光子感应器件22的阴极时，偏置电压信号为正偏压信号；当偏置电压信号作用于单光子感应器件22的阳极时，偏置电压信号为负偏压信号。
本实施例中，当输入的门控信号为负脉冲信号时，偏置电压信号为正偏压信号，且该正偏压信号作用于单光子感应器件22的阴极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
类似的，当输入的门控信号为正脉冲信号时，偏置电压信号为负偏压信号，且该负偏压信号作用于单光子感应器件22的阳极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
示例性的，门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
本实施例中，方波信号、正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
示例性的，可以输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2。
本实施例中，设置输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2，这种方式可以充分利用门控信号的时间窗，在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图6为本申请一实施例提供的单光子探测装置的电路结构示意图，如图6所示，以输入脉冲为负脉冲，偏置电压为正电压源为例进行详细说明。输入脉冲先经过电容C0，电容C0有滤除直流信号的作用；偏压端VDC通过电阻R0或者电感L0之后，将偏置电压施加在雪崩光电二极管(APD)的阴极。经过滤波处理的输入脉冲信号和偏置电压信号在A点处耦合叠加，得到输入信号。该输入信号一分为二，一路输入信号依次经过电容C1、电缆、短路阻抗Z1之后，生成与输入信号极性相反的反相信号。由于偏压端VDC设置为正电压源，其施加的电压使得雪崩光电二极管处于临界击穿状态；当输入反相信号时，反相信号会使得雪崩光电二极管发生雪崩效应，处于雪崩效应状态下的APD能够响应入射的光子，生成对应的光子信息。参见图6，反相信号经过APD之后生成了包含光子信息的第一支路信号。另一路输入信号依次经过APD、电容C2、电缆、开路阻抗Z2之后，反射生成第二支路信号。由于偏压端VDC设置为正电压源，而输入信号在未经过反相处理时，其经过APD时不会引起雪崩效应，因此APD不进行单光子探测，从而使得APD在一个脉冲周期内只工作一次，使得APD的后脉冲计数率下降一倍。
示例性的，参见图6，T1表示输入信号从A点发出，且反射回A点的延时时长；T2表示输入信号从B点发出，且反射回B点的延时时长。其中，T1等于T2；一般通过设置两个电缆的长度相同来实现延时时长的控制。可选地，为了提高计数效果，可以设置T1和T2小于输入脉冲的周期时长。例如设置T1＝T2＝T/2，T表示输入脉冲的周期时长。
示例性的，本实施例中，输入的脉冲信号为正脉冲，VDC应为负电压源，且VDC的电压施加在APD的阳极。如果输入信号是负脉冲，则VDC为正电压源，且VDC的电压施加在APD的阴极。
虽然在图示以及针对本实施例的上述说明中均以方脉冲信号作为例子。但是本实施例并不局限于方脉冲门控信号，也可以是正弦信号或者其他周期信号均能够作为APD的门控信号。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图7为本申请另一实施例提供的单光子探测装置的电路结构示意图，如图7所示，输入脉冲在A点一分为二，一路输入脉冲信号依次经过电缆、短路阻抗之后，生成与输入信号极性相反的反相信号，该反相信号经过电容C0，电容C0有滤除直流信号的作用；偏压端VDC通过电阻R0或者电感L0之后，将偏置电压施加在雪崩光电二极管(APD)的阴极，经过滤波处理的输入反相信号和偏置电压信号叠加之后进入APD，由于偏压端VDC设置为正电压源，其施加的电压使得雪崩光电二极管处于临界击穿状态；当输入反相信号时，反相信号会使得雪崩光电二极管发生雪崩效应，处于雪崩效应状态下的APD能够响应入射的光子，生成对应的光子信息，得到包含光子信息的第一支路信号。另一路输入脉冲信号先经过电容C0，电容C0有滤除直流信号的作用；偏压端VDC通过电阻R0或者电感L0之后，将偏置电压施加在雪崩光电二极管(APD)的阴极，经过滤波处理的输入脉冲信号和偏置电压信号叠加之后进入APD，并依次经过APD、电容C2、电缆、开路阻抗Z2之后，反射生成第二支路信号。由于偏压端VDC设置为正电压源，而输入信号在未经过反相处理时，其经过APD时不会引起雪崩效应，因此APD不进行单光子探测，从而使得APD在一个脉冲周期内只工作一次，使得APD的后脉冲计数率下降一倍。
示例性的，参见图7，T1表示输入信号从A点发出，且反射回A点的延时时长；T2表示输入信号从B点发出，且反射回B点的延时时长。其中，T1等于T2；一般通过设置两个电缆的长度相同来实现延时时长的控制。可选地，为了提高计数效果，可以设置T1和T2小于输入脉冲的周期时长。例如设置T1＝T2＝T/2，T表示输入脉冲的周期时长。
示例性的，本实施例中，输入的脉冲信号为正脉冲，VDC应为负电压源，且VDC的电压施加在APD的阴极。如果输入信号是负脉冲，则VDC为正电压源，且VDC的电压施加在APD的阳极。
虽然在图示以及针对本实施例的上述说明中均以方脉冲信号作为例子。但是本实施例并不局限于方脉冲门控信号，也可以是正弦信号或者其他周期信号均能够作为APD的门控信号。
本实施例，通过在门控时间窗口内，使得前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
图8为本申请一实施例提供的单光子探测装置的信号时序图。图8中的信号时序图可以应用于图6、图7所示的单光子探测装置中。以方脉冲门控信号为例，在t0时刻，输入脉冲信号，在t0和t0+T的时间段内，由于有入射光子，则第一支路信号中包含有光子信息，当第一支路信号和第二支路信号叠加之后，可以得到光子信息。在t0+T和t0+2T的时间段内，由于没有入射光子，因此第一支路信号中不包含有光子信息，当第一支路信号和第二支路信号叠加之后，没有光子信息。
需要说明的是，本实施例中以方脉冲门控信号为例进行了详细说明。但是本实施例不限定门控信号的具体类型，正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
图9为本申请一实施例提供的单光子探测方法的流程示意图，如图9所示，本实施例中的方法可以包括：
S101、将输入信号分成两路；
S102、将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号。
S103、感应光子并生成光子信息，光子信息和反相信号构成第一支路信号。
S104、将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号。
S105、将第一支路信号与第二支路信号叠加，得到光子信息。
本实施例中，输入信号被一分为二，一路通过反相反射支路，一路通过单光子感应器件，通过反相反射支路的输入信号被反相处理(即反相反射支路输出的信号与输入信号相反)，得到反相信号。由于反相信号与输入信号的极性相反，因此在门控时间窗口内，前后有两个不同极性的脉冲经过单光子探测器，而两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
示例性的，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间相同。
本实施例中，第一支路信号和第二支路信号到达输出端的时间，因此，第一支路和第二支路叠加之后可以消除掉电尖峰噪声，得到光子信息。
在步骤S102中，可以将输入信号输入包含第一电容和短路阻抗的反相反射支路，得到反相信号。
在步骤S104中，可以将经过单光子感应器件的输入信号依次经过包含第二电容、和开路阻抗的正相反射支路，反射生成第二支路信号。
本实施例中，在反相反射支路和正相反射支路中设置第一电容和第二电容，以及短路阻抗和开路阻抗是为了避免单光子感应器件被短路，并且使得第一支路和第二支路的阻抗匹配。这种电路设计方式可以使第一支路信号和第二支路信号中的剩余门信号以及由门信号带来的电尖峰噪声能够有效消除，从而提高光子信息的质量，使得单光子探测装置的准确度。
在一种可选的实施方式中，输入信号可以是由门控信号和偏置电压信号耦合得到的。
本实施例中，经过第三电容的门控信号与经过第一电感的偏置电压信号耦合形成输入信号，该输入信号分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号，该反相信号经过单光子感应器件之后得到第一支路信号；另一路输入信号经过单光子感应器件之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。本实施例中，由于输入信号是经过耦合处理的信号，因此可以减少第一支路和第二支路的阻抗匹配难度。
在另一种可选的实施方式中，输入信号为门控信号。
本实施例中，可以将输入信号输入包含短路阻抗的反相反射支路，得到反相信号。将经过第三电容和单光子感应器件的另一路输入信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号；或者，将经过第三电容的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件、正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
本实施例中，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容和单光子感应器件的反相信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号构成第一支路信号；经过第三电容和单光子感应器件的另一路输入信号与作用在单光子感应器件上的偏置电压信号叠加之后进入正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。或者，门控信号构成的输入信号被分为两路，一路输入信号经过反相反射支路后输出反相信号；经过第三电容的反相信号与偏置电压信号叠加之后进入单光子感应器件，由该单光子感应器件输出第一支路信号；经过第三电容的另一路输入信号与偏置电压信号叠加之后依次进入单光子感应器件、正相反射支路，由该正相反射支路输出第二支路信号。
示例性的，偏置电压信号用于控制单光子感应器件处于临界击穿状态。
本实施例中，偏置电压信号用于控制单光子感应器件处于临界击穿状态，从而可以使得单光子感应器件能够灵敏地对门控信号做出响应。当门控信号与偏置电压信号叠加时，可以使得单光子感应器件在门控信号的时间窗口内处于雪崩状态。当门控信号的时间窗口内有光子时，处于雪崩状态的单光子感应器件能够响应生成光子信息。
示例性的，输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2。
本实施例中，可以输入信号从输入端到达输出端的时间为门控信号的周期时长的1/2，这种方式可以充分利用门控信号的时间窗，在门控信号的时间窗内完成光子信息计数，避免漏计数的情况。
示例性的，当偏置电压信号作用于单光子感应器件的阴极时，偏置电压信号为正偏压信号，门控信号为负脉冲信号；或者，当偏置电压信号作用于单光子感应器件的阳极时，偏置电压信号为负偏压信号，门控信号为正脉冲信号。
本实施例中，当输入的门控信号为负脉冲信号时，偏置电压信号为正偏压信号，且该正偏压信号作用于单光子感应器件的阴极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
示例性的，门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
类似的，当输入的门控信号为正脉冲信号时，偏置电压信号为负偏压信号，且该负偏压信号作用于单光子感应器件22的阳极，从而使得未经过反相反射处理的输入信号不会触发单光子感应器件处于雪崩状态，只有经过反相反射处理的输入信号才会触发单光子感应器件处于雪崩状态。因此，在门控时间窗口内，两个脉冲中只有一个脉冲使单光子探测器处于光子探测状态，从而抑制了后脉冲的生成，降低了暗计数的数量，提高了单光子探测器的灵敏度。
本实施例中，方波信号、正弦信号、余弦信号等周期信号均可以作为门控信号，触发单光子感应器件在门控信号的门控时间窗口内响应光子，得到光子信息。
本实施例提供的单光子探测方法，可以应用在图2～图5所示的单光子探测装置中，其具体实现原理和实现过程请参见图2～图5相关内容的描述，此处不再赘述。
本申请实施例提供一种芯片，包括：存储器和处理器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行图9所示的单光子探测方法。
需要说明的是，本申请实施例中的装置也可以根据其功能划分为多个模块，模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。在本申请的实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。
以上为本申请提供的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种单光子探测装置，其特征在于，所述装置包括：反相反射支路，单光子感应器件和正相反射支路，其中，输入信号分成两路，分别到达所述反相反射支路和所述单光子感应器件；
所述反相反射支路，用于将收到的输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，将所述反相信号发送给所述单光子感应器件；
所述单光子感应器件，用于将收到的输入信号发送给所述正相反射支路，还用于感应光子并生成光子信息，并输出第一支路信号，其中，所述第一支路信号包括所述光子信息和所述反相信号；
所述正相反射支路，用于将经过所述单光子感应器件的输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；
其中，所述第一支路信号与所述第二支路信号叠加，得到所述光子信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一支路信号和所述第二支路信号到达输出端的时间相同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反相反射支路包括：短路阻抗和第一电容；其中，所述输入信号依次经过所述第一电容、所述短路阻抗，反射生成所述反相信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正相反射支路包括：开路阻抗和第二电容；其中，经过所述单光子感应器件的输入信号依次经过所述第二电容、所述开路阻抗之后，反射生成所述第二支路信号。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入信号是由门控信号和偏置电压信号耦合得到。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第三电容和第一电感，所述第三电容的一端用于接收所述门控信号，所述第三电容的另一端分别与所述反相反射支路的一端、所述第一电感、所述单光子感应器件的一端连接，所述第一电感的另一端用于接收所述偏置电压信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入信号为门控信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反相反射支路包括：短路阻抗；其中，所述输入信号经过所述短路阻抗，反射生成所述反相信号。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述正相反射支路包括：开路阻抗和第二电容，经过所述单光子感应器件的输入信号依次经过所述第二电容和所述开路阻抗，反射生成所述第二支路信号。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第三电容和第一电感，所述第三电容的一端用于接收所述反相信号和所述门控信号，所述第三电容的另一端与所述单光子感应器件连接；所述第一电感的一端与所述单光子感应器件连接，所述第一电感的另一端用于接收所述偏置电压信号。
11.根据权利要求5、6或10所述的装置，其特征在于，所述偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态。
12.根据权利要求5-11中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入信号从输入端到达输出端的时间为所述门控信号的周期时长的1/2。
13.根据权利要求5或10所述的装置，其特征在于，
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，所述门控信号为负脉冲信号；或
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阳极时，所述偏置电压信号为负偏压信号，所述门控信号为正脉冲信号。
14.根据权利要求5-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
15.一种单光子探测方法，其特征在于，所述方法包括：
将输入信号分成两路；
将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号；
感应光子并生成光子信息，输出第一支路信号，其中，所述第一支路信号包括所述光子信息和所述反相信号；
将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号；
将所述第一支路信号与所述第二支路信号叠加，得到所述光子信息。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一支路信号和所述第二支路信号到达输出端的时间相同。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述将一路输入信号进行反相反射处理，得到反相信号，包括：
将所述输入信号输入包含第一电容和短路阻抗的反相反射支路，得到所述反相信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述将另一路输入信号进行正相反射处理，得到第二支路信号，包括：
将经过单光子感应器件的输入信号输入包含第二电容和开路阻抗的正相反射支路，反射生成所述第二支路信号。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其特征在于，所述输入信号是由门控信号和偏置电压信号耦合得到的。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述偏置电压信号用于控制所述单光子感应器件处于临界击穿状态。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述输入信号从输入端到达输出端的时间为所述门控信号的周期时长的1/2。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阴极时，所述偏置电压信号为正偏压信号，所述门控信号为负脉冲信号；或
当所述偏置电压信号作用于所述单光子感应器件的阳极时，所述偏置电压信号为负偏压信号，所述门控信号为正脉冲信号。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述门控信号包括：方波信号、正弦信号、余弦信号。
CN201910759057.2A 2019-08-16 2019-08-16 单光子探测装置和方法 Active CN112393810B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910759057.2A CN112393810B (zh) 2019-08-16 2019-08-16 单光子探测装置和方法
PCT/CN2020/096188 WO2021031667A1 (zh) 2019-08-16 2020-06-15 单光子探测装置和方法
EP20855751.2A EP4016021A4 (en) 2019-08-16 2020-06-15 DEVICE AND METHOD FOR SINGLE PHOTON DETECTION
US17/671,636 US11686616B2 (en) 2019-08-16 2022-02-15 Single-photon detection apparatus and method comprising a phase-reversed reflection branch and a phase-unreversed reflection branch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910759057.2A CN112393810B (zh) 2019-08-16 2019-08-16 单光子探测装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112393810A true CN112393810A (zh) 2021-02-23
CN112393810B CN112393810B (zh) 2022-02-18

Family

ID=74601958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910759057.2A Active CN112393810B (zh) 2019-08-16 2019-08-16 单光子探测装置和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11686616B2 (zh)
EP (1) EP4016021A4 (zh)
CN (1) CN112393810B (zh)
WO (1) WO2021031667A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200213139A1 (en) * 2018-12-28 2020-07-02 Microchip Technology Incorporated Classifying comparators based on comparator offsets
RU2812341C2 (ru) * 2021-12-28 2024-01-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115694792A (zh) * 2021-10-09 2023-02-03 科大国盾量子技术股份有限公司 可检测强脉冲光致盲攻击的方法、装置及接收端

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003243694A (ja) * 2002-02-13 2003-08-29 Hioki Ee Corp 単一光子の検出方法および単一光子の検出装置
US20040200950A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-14 Beausoleil Raymond G. Detecting one or more photons from their interactions with probe photons in a matter system
CN1560577A (zh) * 2004-02-24 2005-01-05 华东师范大学 双门控雪崩光电二极管单光子探测方法
CN102998008A (zh) * 2012-11-28 2013-03-27 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种对称双apd平衡的近红外单光子探测器
CN202974453U (zh) * 2012-11-22 2013-06-05 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种双极性偏压的单光子探测装置
CN104697646A (zh) * 2015-02-09 2015-06-10 中国计量学院 一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路
CN204535861U (zh) * 2015-02-09 2015-08-05 中国计量学院 一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别电路
CN106092339A (zh) * 2016-06-01 2016-11-09 南京邮电大学 一种用于单光子探测器的模拟计数电路
CN107505056A (zh) * 2017-08-30 2017-12-22 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种GHz近红外单光子探测器雪崩信号提取系统
CN208109268U (zh) * 2017-12-29 2018-11-16 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种GHz探测器雪崩信号提取系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3498141B2 (ja) * 2001-07-12 2004-02-16 株式会社デバイス・ナノテク・リサーチ・インスティチュート 光パルス評価方法、光パルス評価装置、及び光通信システム
CN102197496B (zh) * 2008-09-12 2013-06-05 三菱电机株式会社 光子检测器
GB2475235B (en) * 2009-11-09 2014-01-08 Toshiba Res Europ Ltd A photon detector
CN107024288A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 苏州超锐微电子有限公司 一种应用于单光子探测器的淬灭和限流电路
CN106482840B (zh) * 2016-09-27 2019-03-08 山东大学 一种用于单光子探测器的主动猝灭电路及其工作方法
CN107063452B (zh) * 2017-04-07 2018-07-20 电子科技大学 一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路
WO2018232575A1 (zh) * 2017-06-19 2018-12-27 华为技术有限公司 一种光子探测系统
CN107167251B (zh) 2017-07-28 2023-08-11 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器
CN107806931A (zh) * 2017-09-30 2018-03-16 东南大学 门控互补型光子计数系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003243694A (ja) * 2002-02-13 2003-08-29 Hioki Ee Corp 単一光子の検出方法および単一光子の検出装置
US20040200950A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-14 Beausoleil Raymond G. Detecting one or more photons from their interactions with probe photons in a matter system
CN1560577A (zh) * 2004-02-24 2005-01-05 华东师范大学 双门控雪崩光电二极管单光子探测方法
CN202974453U (zh) * 2012-11-22 2013-06-05 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种双极性偏压的单光子探测装置
CN102998008A (zh) * 2012-11-28 2013-03-27 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种对称双apd平衡的近红外单光子探测器
CN104697646A (zh) * 2015-02-09 2015-06-10 中国计量学院 一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路
CN204535861U (zh) * 2015-02-09 2015-08-05 中国计量学院 一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别电路
CN106092339A (zh) * 2016-06-01 2016-11-09 南京邮电大学 一种用于单光子探测器的模拟计数电路
CN107505056A (zh) * 2017-08-30 2017-12-22 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种GHz近红外单光子探测器雪崩信号提取系统
CN208109268U (zh) * 2017-12-29 2018-11-16 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种GHz探测器雪崩信号提取系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200213139A1 (en) * 2018-12-28 2020-07-02 Microchip Technology Incorporated Classifying comparators based on comparator offsets
RU2812341C2 (ru) * 2021-12-28 2024-01-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Способ детектирования фаз малофотонных когерентных световых полей на боковых частотах в системе квантового распределения ключа

Also Published As

Publication number Publication date
US20220170786A1 (en) 2022-06-02
EP4016021A1 (en) 2022-06-22
WO2021031667A1 (zh) 2021-02-25
US11686616B2 (en) 2023-06-27
CN112393810B (zh) 2022-02-18
EP4016021A4 (en) 2022-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106197692B (zh) 一种单光子探测器的测试装置及其测试方法
Sajeed et al. Attacks exploiting deviation of mean photon number in quantum key distribution and coin tossing
US11686616B2 (en) Single-photon detection apparatus and method comprising a phase-reversed reflection branch and a phase-unreversed reflection branch
CN110120835B (zh) 一种外门控单光子探测光时域反射测量方法
CN102735351B (zh) 一种单光子探测器电路及其探测方法
Thomas et al. Efficient photon number detection with silicon avalanche photodiodes
US11579263B2 (en) Method and apparatus for a hybrid time-of-flight sensor with high dynamic range
EP1411332A1 (en) Photodetector
KR101822847B1 (ko) 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치
CN113340420B (zh) 单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法
KR101395330B1 (ko) 단일 광자 검출 장치, 광자수 분해 검출 장치 및 광자 검출 방법
CN110987201B (zh) 一种单光子探测器死时间控制电路实现方法及装置
CN106130722A (zh) 一种适用于超高速量子保密通信系统的雪崩光电二极管探测阵列
CN110044479A (zh) 一种基于无时钟电流舵dac结构的硅光电倍增管
CN110346054B (zh) 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
JP2003243691A (ja) 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機
WO2005029017A1 (ja) 光子検出装置および光子検出方法
CN113405677A (zh) 高速正弦门控单光子探测器
KR101966652B1 (ko) 반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법
JP2011226922A (ja) 光子検出器
KR20110063251A (ko) 단기 전압 스파이크 제거 방법 및 그 장치
CN110726483B (zh) 抵御雪崩过渡区攻击的装置及方法
CN109883558B (zh) 一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置及方法
CN104639257B (zh) 应用于光接收器的抗干扰电路
CN110888119A (zh) 一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant