CN1306281C

CN1306281C - 一种平衡抑制的单光子探测电路模块

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Publication number: CN1306281C
Application number: CNB2004100247142A
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 李和祥; 吴光; 韩晓红; 陈修亮; 周春源
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: CN1584629A

Abstract

本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及一种双APD平衡的窄门脉冲抑制的APD单光子探测的电路模块，实现近红外波段单光子的探测，该电路模块由信号探测电路、平衡抑制电路、信号处理电路构成，其中由信号探测电路探测到的信号进入平衡抑制电路，平衡抑制电路再将信号传送到信号处理电路，其中信号探测电路由两路完全一致的APD驱动电路组成，其优点是结构较简单、体积较小，能够实现对近红外波段单光子的探测，有效的抵消了高幅度窄门脉冲所造成的震荡和过冲，减少噪声，探测效率高，噪声低，探测时间精度高。

Description

一种平衡抑制的单光子探测电路模块

技术领域

本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及一种双APD平衡的窄门脉冲抑制的APD单光子探测的电路模块，实现近红外波段单光子的探测。

背景技术

量子保密通信是基于光量子的通信，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到信息而不被发现，因此在量子保密通信中，单光子探测有着很重要的作用。量子保密通信系统中使用的单光子探测器主要是雪崩光电二极管(APD)。

在单光子探测中，APD一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压，当有光子信号到达APD时，引起雪崩。为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地被抑制，并使APD恢复到接收光子的状态。通常采取的方式有：被动抑制、主动抑制和门脉冲抑制模式，其中被动抑制模式探测效率低、噪声大；主动抑制模式主要用于到达时间随机的光信号的探测，也可以用于周期性信号的探测，但其与APD本身结构有关，并非所有的APD都适用；通常在探测周期性光信号时采用门脉冲抑制模式，门脉冲抑制模式对APD结构没有要求，实现起来相对比较方便、有效，也比较经济。在量子保密通信中一般采用门脉冲抑制模式，其探测效率相对较高，噪声也相对较低。

现有门脉冲抑制模式通常是只在APD一端加门脉冲，当门脉冲比较窄，一般在50ns以下时，APD的充放电信号连在一起，之间没有平坦区域，此时有光子到来时，APD产生的雪崩信号将叠加在其充放电信号上，由于雪崩信号相对于充放电信号来讲要小得多，没有办法鉴别，同时由于窄脉冲而造成的震荡和过冲信号会影响信号的采集；因此现有门脉冲抑制模式的门脉宽都比较宽，当门脉冲比较宽时APD的充放电信号之间有一段平坦的区域，如果在这段平坦区域有光子到来，APD产生的雪崩信号可以被探测到，但是噪声比较大，探测时间精度不够准确。因此在国外出现了实现双APD平衡抑制模式，但是其平衡抑制电路所用的模块非常复杂、体积很大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种结构简单、体积小，能够在窄门脉冲抑制模式下对近红外单光子探测的电路模块，采用双APD平衡抑制方式，可以在很窄的门脉冲情况下，有效的抵消门脉冲产生的充放电、过冲和振铃，较为准确地鉴别出相对而言微弱的雪崩信号。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

本发明由信号探测电路、平衡抑制电路、信号处理电路构成，其中由信号探测电路探测到的信号进入平衡抑制电路，平衡抑制电路再将信号传送到信号处理电路。

其中信号探测电路由两路完全一致的APD驱动电路组成，主要作用是利用APD探测光信号，并将光信号转换成电信号，两路驱动电路均由取样电阻和雪崩光电二极管APD构成，其中取样电阻一端与APD阳极相连，另外一端接地，APD阴极接高压及门脉冲信号。

平衡抑制电路由双线并绕、中心抽头、阻抗比为1∶1的变压器组成。利用变压器异名端会产生与原信号完全相反的信号的特性，将门脉冲引起的过冲和振铃抵消，从而取出雪崩信号。

信号处理电路由信号放大、比较、缓冲、计数四部分构成，信号经过放大之后进入比较器，由比较器出来的信号经过缓冲之后进入计数器计数。

本发明的优点在于，结构较简单、体积较小，能够实现对近红外波段单光子的探测，采用双APD对称电路，可以同时探测两路单光子信号；利用变压器平衡抑制模式，有效的抵消了高幅度窄门脉冲所造成的震荡和过冲，减少噪声，探测效率高，噪声低，探测时间精度高。

附图概述

附图1为本发明利用两个雪崩光电二极管APD对单光子探测的电路原理图；

附图2为本发明实施例1利用两个铟镓砷雪崩光电二极管InGaAs-APD对单光子探测的电路原理图；

附图3为本发明实施例2电路原理图；

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1：如图2所示，本实施例由信号探测电路、平衡抑制电路、信号处理电路构成。其中由信号探测电路探测到的信号进入平衡抑制电路，平衡抑制电路再将信号传送到信号处理电路。整个电路由两路完全一致的电路对称连接组成。

上述的信号探测电路一路由电阻R1，雪崩光电二极管APD1构成。其中R1为取样电阻，其一端与APD1阳极相连，另外一端接地，APD1阴极接高压以及门脉冲信号。信号探测电路另外一路由电阻R2，雪崩光电二极管APD2构成，其中R2为取样电阻，其一端与APD2阳极相连，另外一端接地，APD2阴极接高压以及门脉冲信号。信号探测电路的主要作用是利用APD探测光信号，并将光信号转换成电信号。

平衡抑制电路由双线并绕、中心抽头、阻抗比为1∶1的变压器T构成，其两输入端分别与APD1、APD2的阳极相连。其作用为利用变压器异名端会产生与原信号完全相反的信号的特性，将门脉冲引起的过冲和振铃抵消，而信号探测电路中两路雪崩信号是随机发生的，利用该时间差，从而取出雪崩信号。

由于雪崩信号比较弱，无法直接进行计数，因此需要在后面对该信号加以处理。在这里，我们先将信号进行了放大、比较、缓冲(差分输出，实现隔离)之后再进入计数器。

其中一路由电阻R3、R5、R7、R8、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20，电容C1、C3、C4、C5、C6、C7、C8，晶体三极管Q1、Q3、Q4，比较器CP1，电感L1、L2、L3、L5，电感值很小的穿心电感L4(实施例中用短电缆线代替)，电缆P1构成。其中电阻R3、R5、R7、R8，电容C1、C3，电感L1，晶体三极管Q1组成放大电路；电阻R11、R12、R13、R15、R17、R18，比较器CP1，电感L2、L3，电容C4、C5、C6、C7、C8组成比较电路；电阻R14、R16、R19、R20，晶体三极管Q3、Q4，电感L4、L5，电缆P1组成缓冲电路。其中电阻R3连接在变压器的一个输出端A3以及晶体三极管Q1的发射极之间；C1、R5并联，一端连接Q1的基极，另外一端接地；电感L1一端与正电源相连，另外一端与R7、R8相连；R7另外一端与Q1的集电极相连；R8另外一端与Q1的基极相连；电容C3一端连接L1与R7的公共端，另外一端接地；比较器CP1的正输入端与Q1的集电极相连，比较器的负输入端与可调电阻R12中间输出端相连；R12连在R11与地之间；R11另外一端与电感L2、电容C5以及比较器CP1的正电源输入端相连；L2另外一端接正电源；C5另外一端接地；电容C4接在比较器的负端与地之间；电感L3连接在负电源与比较器CP1的负电源输入端之间；电容C6连接在比较器CP1的负电源输入端与地之间；电阻R14连在CP1的正输出端与Q3的基极之间；电阻R16连在CP1的负输出端与Q4的基极之间；R13一端与CP1的正输出端相连，另外一端与电容C7的一端、电阻R15的一端以及可调电阻R17的中间输出端相连；电容C7的另一端与地相连；电阻R15的另一端接CP1的负输出端；R17一端与地相连，另一端与电阻R18相连；R18另外一端与电阻R20、电容C8、电感L5相连；R20另一端接Q3、Q4的发射极；C8另一端接地；L5另一端接负电源；电阻R19连在Q3、Q4的集电极之间；Q3的集电极连接电缆P1的信号端；Q4的集电极连接电缆P1的接地端；P1的接地端通过L4接地。

另外一路由电阻R4、R6、R9、R10、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30，电容C2、C9、C10、C11、C12、C13，晶体三极管Q2、Q5、Q6，比较器CP2，电感L6、L7、L9，电感值很小的穿心电感L8，电缆P2构成。其中电阻R4、R6、R9、R10，电容C2，晶体三极管Q2组成放大电路；电阻R21、R22、R23、R25、R27、R28，比较器CP2，电感L6、L7，电容C9、C10、C11、C12、C13组成比较电路；电阻R24、R26、R29、R30，晶体三极管Q5、Q6，电感L8、L9，电缆P2组成缓冲电路。

上述两路电路的连接以及元器件的选择完全一致。

本实施例利用两个雪崩光电二极管平衡的门脉冲抑制模式的单光子探测器实现了近红外单光子探测，使用的元器件可以如下选择：

C1：0.1μF C2：0.1μF C3：0.1μF C4：0.1μF C5：0.1μF

C6：0.1μF C7：0.1μF C8：0.1μF C9：0.1μF

C10：0.1μF C11：0.1μF C12：0.1μF C13：0.1μF

R1：75Ω R2：75Ω R3：47Ω R4：47Ω R5：1kΩ

R6：1kΩ R7：750Ω R8：4.3kΩ R9：4.3kΩ R10：750Ω

R11：1kΩ R12：2kΩ R13：100Ω R14：47Ω R15：100Ω

R16：47Ω R17：200Ω R18：51Ω R19：100Ω R20：270Ω

R21：1kΩ R22：2kΩ R23：100Ω R24：47Ω R25：100Ω

R26：47Ω R27：200Ω R28：51Ω R29：100Ω R30：270Ω

L1：100μH L2：100μH L3：100μH L5：47μH

L6：100μH L7：100μH L9：47μH

Q1：c3355 Q2：c3355 Q3：c3355

Q4：c3355 Q5：c3355 Q6：c3355

CP1：AD96685 CP2：AD96685

L4：短电缆线 L8：短电缆线

实施例2：如图3所示，本实施例原理同实施例1相同，由信号探测电路、平衡抑制电路、信号处理电路构成，其中信号探测电路和信号处理电路之间连接有平衡抑制电路。整个电路由两路完全一致的电路对称连接组成。

其中的信号探测电路和平衡抑制电路连接组成与实施例1相同，所不同的是其信号放大电路采用一集成运算放大器AMPL1代替了三极管Q1，AMPL2代替了三极管Q2；其信号缓冲电路即隔离电路采用射极跟随代替原来的差分输出。R3连接变压器的一个输出端与集成运算放大器AMPL1的输入端；R4连接变压器的另一个输出端与集成运算放大器AMPL2的输入端；R5连接在AMPL1的负输入端与地之间；R6连接在AMPL1的负输入端与输出端之间；R7连接在AMPL2的负输入端与地之间；R8连接在AMPL2的负输入端与输出端之间；R12一端连接CP1的正输出端，另一端与晶体三极管Q1的基极相连；R13连在Q1的发射极与地之间；R17一端连接CP2的正输出端，另一端与晶体三极管Q2的基极相连；R18连在Q2的发射极与地之间；信号从Q1、Q2的发射极输出到计数器。

本领域技术人员显然可以认识到，在这里对于信号放大电路并不局限于上述内容，只要可以实现放大，运用晶体管或者运算放大器集成块(如opa300、opa842等)均可；同样对于信号缓冲(隔离)电路，可以利用差分输出、射极跟随输出、集成块实现隔离输出等。

上述实施例采用的工作条件是：电路中所加高压略低于雪崩光电二极管(APD)的雪崩电压(约比雪崩电压低2.5V～3V)；门脉冲为3Vp-p，脉宽2ns(我们实验中测试过15ns、8ns、2ns三种情况，这里仅以2ns为例)重复频率100kHz。

上述实施例分为两种工作状态：静态及雪崩状态。

当电路中不加门脉冲时，APD两端电压低于雪崩电压，不发生雪崩，电路处于静态工作状态，此时，A1(APD1的阳极)、A2(APD2的阳极)两点信号为电容充电信号，由于APD1、APD2特性完全一致，故这两点电平相同，分别再经变压器T，A1点的信号在A4点(A2的同名端)产生与本身信号完全相反的信号、在A3点(A1的同名端)产生与本身信号完全相同的信号；A2点的信号在A3点(A1的同名端)产生与本身信号完全相反的信号、在A4点(A2的同名端)产生与本身信号完全相同的信号，由于A1、A2两点信号完全相同，因此在A3、A4两点信号完全抵消，没有输出。

当电路中有门脉冲到来时，在门脉冲持续的2ns时间内，A1、A2两点信号为一个2ns的充放电信号，此刻APD两端电压超过雪崩电压，工作在“盖革模式”下，对单光子响应。假设此刻两个APD中分别有一个光子入射，由于工作在“盖革模式”下，该光子激发起雪崩，电阻R1、R2有雪崩电流流过，此时A1、A2点有一个微弱的雪崩信号叠加在原来的充放电信号之上，分别再经变压器T后，在各自的同名端产生与原信号完全相同的信号，异名端产生完全相反的信号，由于充放电信号以及门脉冲所造成的过冲及震荡完全相同，相互抵消，而雪崩信号由于发生时间不同，无法抵消，因此在A3端得到APD1雪崩信号与APD2雪崩信号的反向信号的叠加，A4端得到APD2雪崩信号与APD1雪崩信号的反向信号的叠加，这两个信号分别经过Q1(AMPL1)、Q2(AMPL2)放大后进入比较器；通过调节比较器的比较电平，可以将各自的反向信号消除，从而取出雪崩信号，再分别经过缓冲电路将输入输出端隔离后送到计数器进行计数。

Claims

1、一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于该电路模块由信号探测电路、平衡抑制电路、信号处理电路构成，其中由信号探测电路探测到的信号进入平衡抑制电路，平衡抑制电路再将信号传送到信号处理电路。

2、根据权利要求1所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的信号探测电路由两路完全一致的APD驱动电路组成。

3、根据权利要求2所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的APD驱动电路是由取样电阻和雪崩光电二极管APD构成，其中取样电阻一端与APD阳极相连，另外一端接地，APD阴极接高压及门脉冲信号。

4、根据权利要求1所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的平衡抑制电路由双线并绕、中心抽头、阻抗比为1∶1的变压器组成。

5、根据权利要求1所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的信号处理电路是由两路完全一致的电路对称连接组成，分别由信号放大、比较、缓冲、计数四部分构成，信号经过放大之后进入比较器，由比较器出来的信号经过缓冲之后进入计数器计数。

6、根据权利要求5所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的信号放大部分中可以采用集成运算放大器或者采用三极管。

7、根据权利要求1所述的一种平衡抑制的单光子探测电路模块，其特征在于所述的电路模块是由两路完全一致的电路对称连接组成。