CN114935406A - 基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 - Google Patents
基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114935406A CN114935406A CN202210206484.XA CN202210206484A CN114935406A CN 114935406 A CN114935406 A CN 114935406A CN 202210206484 A CN202210206484 A CN 202210206484A CN 114935406 A CN114935406 A CN 114935406A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- avalanche photodiode
- detection
- silicon avalanche
- avalanche
- 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.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 abstract description 12
- 238000000098 azimuthal photoelectron diffraction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
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
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，重复频率大于等于1GHz的门控信号与直流偏置电压一起作用于硅雪崩光电二极管的阴极，控制硅雪崩光电二极管两端的偏置电压高于雪崩电压，硅雪崩光电二极管对被测光信号进行探测，探测到的光生雪崩电信号，通过差分以及与频谱滤波级联，对硅雪崩光电二极管探测信号进行高保真提取，实现光子数可分辨的量子探测。Si APD工作在高速门控盖革模式下，可在ns级别淬灭雪崩并为下一个光信号的检测做好准备。采用平衡与频谱滤波级联的容性噪声抑制方案，可实现微弱雪崩信号的高保真提取，在降低雪崩增益的同时保障APD的探测性能，使其工作在“亚饱和”模式，实现光子数可分辨的量子探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光范围的弱光探测技术，特别涉及一种基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法。
背景技术
近年来量子信息科学飞速发展，单光子作为量子信息的载体，其检测技术即单光子探测技术起着至关重要的作用。硅雪崩光电二极管(Si APD)工作在可见波段，具有高量子效率，低噪声和体积小易集成等优势，是目前检测光子是否存在的最常用检测器件之一。
为了实现单光子探测，Si APD通常工作在盖革模式，即其阴极与阳极间加载的偏置直流电压高于雪崩击穿电压，导致单个光子激发产生的载流子可通过雪崩倍增转换成可被检测到的宏观电流。为了避免APD产生的雪崩电流过大，持续较长时间损坏雪崩二极管，无法快速响应下一个入射光信号等，需要设计后续处理电路等方案及时淬灭雪崩信号。常见的淬灭方式有被动淬灭和主动淬灭。最简单直接的方法是被动抑制，被动淬灭技术通过串联一个较大的电阻在APD上，在雪崩发生时产生较大的压降，使APD两端电压差降低从而实现淬灭；主动淬灭模式则是在检测到雪崩发生后，通过偏压控制电路即反馈电路主动降低APD两端的电压差实现淬灭。以上两种方法淬灭雪崩信号速度较慢且恢复时间过长，限制探测器的响应速度及计数速率等。目前，可见波段单光子探测器最高仅能实现几百兆赫兹的光子探测速率，既无法实现真正意义上的高速单光子探测。此外，为了实现高效率探测，通常Si APD的雪崩增益设置的较大，导致其光生雪崩电流信号饱和，即最终输出的电信号大小与入射光子数目无关，只能检测光子是否存在。为了实现光子数可分辨的量子探测，通常需要依靠多通道APD探测阵列来实现，然而多通道APD之间会产生串扰误计数，而且探测效率越高串扰越大，这一串扰现象不可调和，为高性能光子数可分辨探测带来难题。此外，多通道APD阵列的集成度也是限制其应用拓展的一个重要因素。
发明内容
本发明是针对上述光子探测存在的问题，提出了一种基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，采用高速门控盖革模式同时结合平衡与频谱滤波级联方案提取雪崩信号，实现可见波段量子探测的快速计数以及光子数可分辨探测。Si APD工作在高速门控盖革模式下，门控信号的重复频率大于等于1GHz，APD雪崩信号可在1ns内被快速淬灭。在此模式下，光信号与APD门控信号无需同步即可实现高性能探测，达到连续探测相近的探测效果，即实现“准连续”快速探测。同时，我们采用平衡及频谱滤波级联的高噪声抑制比方案，将门控信号加载在APD上的容性噪声抑制到热噪声水平，可实现微弱雪崩信号的有效提取。基于此，Si APD的雪崩增益可有效降低，即工作在“亚饱和”模式，其输出的雪崩电信号幅度与入射的光子数正相关，实现单个Si APD的光子数可分辨探测。
本发明的技术方案为：一种基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，重复频率大于等于1GHz的门控信号与直流偏置电压一起作用于硅雪崩光电二极管的阴极，控制硅雪崩光电二极管两端的偏置电压高于雪崩电压，硅雪崩光电二极管对被测光信号进行探测，探测到的光生雪崩电信号，通过对门控信号重复频率的谐波合成信号和硅雪崩光电二极管的响应信号进行平衡差分以及与频谱滤波级联，进行高保真提取，实现光子数可分辨的量子探测。
进一步，所述重复频率大于等于1GHz的门控信号产生方法：信号发生器输出频率为f的正弦波信号，经过高功率放大器将正弦波信号放大后通过中心频率为f的带通滤波器，消除放大后的边带噪声和谐波噪声后，作为门控脉冲信号通过电容耦合加载至硅雪崩光电二极管的阴极。
进一步，所述对硅雪崩光电二极管探测信号进行高保真提取方法：信号发生器同步产生频率为f和2f的两路正弦波信号，两路信号分别经过相应的衰减和延时后再通过加法器相加输出，相加输出的信号送入差分器，与硅雪崩光电二极管阳极输出的电信号作差；调节f、2f两路信号的延时与衰减平衡差分后，差分器输出的差分信号再经过低通滤波器和放大器输出。
进一步，所述硅雪崩光电二极管阳极输出的电信号经过差分与频谱滤波两种噪声抑制的级联，尖峰噪声被抑制至热噪声水平，实现光生雪崩信号的有效检测和提取。
进一步，所述门控信号重复频率大于等于1GHz，且硅雪崩光电二极管的响应信号带宽在3GHz以下，调节f、2f两路信号的延时与衰减充分平衡差分后，硅雪崩光电二极管的噪声抑制比达到30dB以上。
本发明的有益效果在于：本发明基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，Si APD工作在高速门控盖革模式下，区别于传统的Si APD使用被动淬灭或者主动淬灭技术，可在ns级别淬灭雪崩并为下一个光信号的检测做好准备，将Si APD的工作速率从MHz级别提高到GHz。同时，采用平衡与频谱滤波级联的容性噪声抑制方案，可实现微弱雪崩信号的高保真提取，在降低雪崩增益的同时保障APD的探测性能，使其工作在“亚饱和”模式。该模式下，输出的光生雪崩电信号的幅度与输入光子信号的数目相关，实现光子数可分辨的量子探测。此外，Si APD的工作速率大于等于1GHz，门控信号与被测光脉冲信号不同步时，其探测性能仍然能够保障，拓展了其在激光测绘、光谱检测等光子到达时间未知的领域的应用。最终，工作速率为GHz的单个Si APD可区分出单个光脉冲中的0～5个光子，其量子效率也得到了进一步的提升，在量子信息、激光测距及成像等领域有重大的应用意义。值得一提的是，该光子数可分辨探测手段，可作为多像素探测阵列实现光子数可分辨探测的一种有效补充，在一定程度上减小探测阵列所需集成的APD数目，提升探测阵列的集成度。
附图说明
图1为本发明基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测系统结构示意图；
图2为本发明实施例的可见波段光子数分辨效果图。
具体实施方式
如图1所示为基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测系统结构示意图，可见光作为系统的主光源，准直衰减后入射到硅雪崩光电二极管(Si APD)光敏面。信号发生器输出频率为f的正弦波信号，使用高功率放大器将该信号放大后通过中心频率为f的带通滤波器，消除放大后的边带噪声和谐波噪声后，作为门控脉冲信号通过电容耦合加载在SiAPD的阴极。同时，直流偏置电压DC通过一个10kΩ串联电阻加载在Si APD的阴极，与门控信号叠加后控制APD两端的偏置电压是否高于雪崩电压，即通过门控的方式有效切换APD的工作模式，淬灭雪崩。Si APD的阳极则通过50Ω的接地电阻，将光生雪崩电流信号转成成输出电压信号。
由于APD的电容特性，门控信号加载在APD上充放电时会产生尖峰噪声。此时APD的门控信号为正弦信号，通过频谱分析，可以得出其尖峰噪声的主要频谱分布在其基频f及谐振频率上。基于此，创新性地提出了平衡与频谱滤波结合的方法。信号发生器同步产生频率为f和2f的两路正弦波信号，两路信号分别经过相应的衰减和延时后再通过加法器相加输出，相加输出的信号送入差分器，与APD阳极输出的电压信号作差。考虑到门控信号的重复频率大于等于1GHz，且Si APD的响应带宽通常在3GHz以下，调节f、2f两路信号的延时与衰减后的谐波合成信号与探测到的光生雪崩电信号充分平衡差分后，APD的噪声抑制比大约能够达到30dB以上。此外，Si APD的雪崩信号频谱分布大部分集中在1GHz以下，因此，差分器输出的差分信号再经过低通滤波器和放大器输出，最后使用高速示波器对输出的信号的电压幅值数据进行采集。经过两种噪声抑制手段的级联，尖峰噪声被抑制到热噪声水平，可以实现光生雪崩信号的有效检测和提取。雪崩的持续时间小于1ns，且微弱的雪崩信号可以被有效检测，不同于之前的Si APD单光子探测技术，本发明可以降低Si APD的雪崩增益，使其工作在“亚饱和”盖革模式。在该模式下，APD输出的电信号幅度与入射光子数目正相关。如图2所示，系统检测输出的信号峰值与入射光子峰一一对应。该应用范例中采用的激光光源为相干光，其光子数符合泊松分布，可计算分析得知采用Si APD的光子数可分辨探测的误差仅为6％左右，验证该方案的可行性。
值得一提的是，该方法中门控信号的重复频率大于等于1GHz，一方面将APD的工作速率提升到GHz水平，另一方面，提升了APD的有效探测时间。有效探测时间的占空比相对于低速门控探测方案大大提升，可使其满足激光信号到达时间未知的应用，即当APD门控信号与激光触发信号不同步时，Si APD的探测效率仍然可以保持在一个较高的水平，实现“准连续”探测，拓展其在激光测绘、光谱检测等领域的应用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，其特征在于，重复频率大于等于1GHz的门控信号与直流偏置电压一起作用于硅雪崩光电二极管的阴极，控制硅雪崩光电二极管两端的偏置电压高于雪崩电压，硅雪崩光电二极管对被测光信号进行探测，探测到的光生雪崩电信号，通过对门控信号重复频率的谐波合成信号和硅雪崩光电二极管的响应信号进行平衡差分以及与频谱滤波级联，进行高保真提取，实现光子数可分辨的量子探测。
2.根据权利要求1所述基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，其特征在于，所述重复频率大于等于1GHz的门控信号产生方法：信号发生器输出频率为f的正弦波信号，经过高功率放大器将正弦波信号放大后通过中心频率为f的带通滤波器，消除放大后的边带噪声和谐波噪声后，作为门控脉冲信号通过电容耦合加载至硅雪崩光电二极管的阴极。
3.根据权利要求2所述基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，其特征在于，所述进行高保真提取方法：信号发生器同步产生频率为f和2f的两路正弦波信号，两路信号分别经过相应的衰减和延时后再通过加法器相加输出，相加输出的信号送入差分器，与硅雪崩光电二极管阳极输出的电信号作差；调节f、2f两路信号的延时与衰减平衡差分后，差分器输出的差分信号再经过低通滤波器和放大器输出。
4.根据权利要求3所述基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，其特征在于，所述硅雪崩光电二极管阳极输出的电信号经过差分与频谱滤波两种噪声抑制的级联，尖峰噪声被抑制至热噪声水平，实现光生雪崩信号的有效检测和提取。
5.根据权利要求3或4中任意一项所述基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法，其特征在于，所述门控信号重复频率大于等于1GHz，且硅雪崩光电二极管的响应信号带宽在3GHz以下，调节f、2f两路信号的延时与衰减充分平衡差分后，硅雪崩光电二极管的噪声抑制比达到30dB以上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210206484.XA CN114935406A (zh) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | 基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210206484.XA CN114935406A (zh) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | 基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114935406A true CN114935406A (zh) | 2022-08-23 |
Family
ID=82861710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210206484.XA Pending CN114935406A (zh) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | 基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114935406A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117848495A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 深圳市朗石科学仪器有限公司 | 一种光子信号采集方法 |
-
2022
- 2022-03-03 CN CN202210206484.XA patent/CN114935406A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117848495A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 深圳市朗石科学仪器有限公司 | 一种光子信号采集方法 |
| CN117848495B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-07 | 深圳市朗石科学仪器有限公司 | 一种光子信号采集方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9012860B2 (en) | Dual-SPAD-based single-photon receiver | |
| CN102230828B (zh) | 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法 | |
| CN112556841B (zh) | 集成门控被动淬灭和主动淬灭技术的近红外单光子探测器 | |
| CN107014495A (zh) | 超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器 | |
| CN108168717B (zh) | 光子数分辨平衡探测器 | |
| Fisher et al. | A reconfigurable 14-bit 60GPhoton/s single-photon receiver for visible light communications | |
| CN101650228A (zh) | 吉赫兹脉冲门控低通滤波红外单光子探测器 | |
| CN107271055A (zh) | 一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统 | |
| CN102155998B (zh) | 全集成型高速单光子探测系统及其探测方法 | |
| CN114935406A (zh) | 基于硅雪崩光电二极管的光子数可分辨探测方法 | |
| CN113138018A (zh) | 一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器 | |
| CN109521282A (zh) | 基于微波光学调制器的微波单量子探测器 | |
| US7372031B2 (en) | System and method for sensitive photon detection | |
| CN107505056A (zh) | 一种GHz近红外单光子探测器雪崩信号提取系统 | |
| CN108020326B (zh) | 一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路 | |
| JP2006287307A (ja) | 光子検出回路およびノイズ除去方法 | |
| CN110196710B (zh) | 芯片结构零差探测的量子随机数发生器 | |
| Hatfield et al. | A novel position‐sensitive detector using an image‐sensing integrated circuit | |
| CN111106867A (zh) | 一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块 | |
| CN115235620A (zh) | 单光子探测装置及单光子探测的方法 | |
| KR102368114B1 (ko) | 서로 다른 2개의 모드로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드 | |
| CN107733641B (zh) | 高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法 | |
| CN105043563B (zh) | 一种积分门控单光子探测器的积分电容放电电路及方法 | |
| JP2011226922A (ja) | 光子検出器 | |
| CN113740878B (zh) | 用于测风雷达的平衡探测器电路 |
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 |