CN1563918A - 一种apd单光子探测的电路模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及电容平衡的窄门脉冲抑制的APD单光子探测的电路模块，该电路模块主要由信号探测电路、信号放大电路、平衡抑制电路以及逻辑信号的产生电路构成，其中平衡抑制电路，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路完全一致、一一对应，其优点在于，能够实现对近红外波段单光子的探测，采用对称电路平衡模式，有效的抵消了高幅度窄脉冲门脉冲所造成的震荡和过充，减少噪声，探测效率高，噪声低，探测时间精度高。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及电容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)。目前应用的APD主要有三种，即硅雪崩光电二极管(Si-APD)、锗雪崩光电二极管(Ge-APD)和铟镓砷雪崩光电二极管(InGaAs-APD)，它们分别对应不同的波长，Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD则在900nm～1700nm。对于光谱响应重叠的部分，InGaAs-APD具有更低的噪声和更高的频率响应特性，因此已经基本上取代了Ge-APD。用Si-APD制作的单光子探测器在-20℃的条件下，在700～800nm波段，探测效率可超过60％，噪声为10-6～10-7/ns；在1310～1550nm波段，Si-APD已经不能用于进行单光子探测了；用InGaAs-APD制作的单光子探测器，在-100℃～-60℃的条件下，在1550nm波段，其探测效率约为10％，噪声为10-6～10-5/ns。用Si-APD制作的单光子探测器已经逐渐趋于成熟。
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(gate-mode)，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。
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，采用电容平衡抑制方式，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、过充和振铃，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、信号放大电路、平衡抑制电路以及逻辑信号的产生电路构成，其中探测电路和信号放大电路所构成的组合电路与平衡抑制电路之间连接有逻辑信号的产生电路，其中平衡抑制电路，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致、一一对应，在信号探测及放大电路构成的组合电路中对应于可变电容C0处使用的是雪崩光电二极管APD。
本发明的优点在于，能够实现对近红外波段单光子的探测，采用对称电路平衡模式，有效的抵消了高幅度窄门脉冲所造成的震荡和过充，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为本发明实施例1利用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2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1所示，本实施例由信号探测电路、信号放大电路、平衡抑制电路以及逻辑信号的产生电路构成，其中探测电路连接信号放大电路，探测电路和信号放大电路所构成的组合电路与平衡抑制电路之间连接有逻辑信号的产生电路。
上述的信号探测电路由电容C2，电阻R7、R8，雪崩光电二极管APD构成，其中C2为耦合电容，其一端与门脉冲连接，另外一端与APD阴极连接；R7一端与高压HV相连，另外一端与APD阴极相连；R8为取样电阻，其一端与APD阳极相连，另外一端接地。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。
由于由APD转换成的电信号比较弱，因此需要在后面加放大电路，以便于比较，信号放大电路由电阻R5、R6，三极管Q2构成，为共基极放大电路。其中R5一端与正电源连接，另外一端与三极管Q2的集电极相连；三极管Q2基极接地，发射极通过R6接负电源，集电极与R5连接的同时与比较器的正端相连。
二极管D2连在信号探测电路与信号放大电路之间，起到隔离作用，其阳极与APD阳极相连，阴极与Q2发射极相连。
平衡抑制电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C0、C1，二极管D1，三极管Q1构成，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致、一一对应，在信号探测及放大电路构成的组合电路中对应于可变电容C0处使用的是雪崩光电二极管APD。
逻辑信号的产生电路由比较器comp，单稳态触发器M组成。比较器通过对正负输入端的信号进行比较产生逻辑信号，该信号触发单稳态触发器进行整形之后输出。
平衡抑制电路与信号探测放大电路构成的组合电路除可变电容C0之外完全对称，其作用是在没有光子照射时，即APD不发生雪崩时，产生与APD共模的信号，起到平衡抑制作用；平衡抑制电路与信号探测放大电路产生的信号分别进入比较器的负正两输入端，通过比较产生逻辑信号，没有光照射时，为共模信号，没有信号输出，当有光照时，信号探测放大电路一端比平衡抑制电路一端多了一个雪崩信号，此信号为差模信号，通过比较器输出一逻辑信号，经过单稳态触发器整形后输出，便于计数。
本实施例利用采用电容平衡门脉冲抑制模式的雪崩光电二极管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：
C1：100pF C2：100pF
R1：20kΩ R2：100Ω R3：3.3kΩ R4：4.7kΩ
R5：3.3kΩ R6：4.7kΩ R7：20kΩ R8：100Ω
D1：IN4148 D2：IN4148
Q1：2SD601 Q2：2SD601
comp高速比较器：AD96685
M单稳触发器：MC10198
实施例2：如图2所示，本实施例原理同实施例1相同，由信号探测电路、信号放大电路、平衡抑制电路以及逻辑信号的产生电路构成，其中探测电路连接信号放大电路，探测电路和信号放大电路所构成的组合电路与平衡抑制电路之间连接有逻辑信号的产生电路。
其中的信号探测电路和逻辑信号的产生电路的连接组成与实施例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amp12代替了三极管Q2，二极管D2的阳极与APD阳极相连，阴极与集成运算放大器amp12的输入端相连。
平衡抑制电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C0、C1，二极管D1，集成运算放大器amp11构成，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致、一一对应，在信号探测及放大电路构成的组合电路中对应于可变电容C0处使用的是雪崩光电二极管APD。
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；同样对于逻辑信号产生电路中的比较器，只要其频率相应能够达到实验要求即可，可以是ECL元件，也可以是TTL元件，如max913、max9685等。
上述实施例采用的工作条件是：工作温度-60℃；电路中所加高压(HV)略低于雪崩光电二极管(APD)的雪崩电压；调节可变电容C0使其电容值刚好等于APD的结电容；门脉冲为10Vp-p，脉宽10ns(或者更窄如2ns，这里仅以10ns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，A(R2与C0连接点)、B(APD阳极)两点信号为电容充电信号，由于C0等于APD结电容，故这两点电平相同，分别再经Q1(或amp11)和Q2(或amp12)放大，这里Q1、Q2是特性非常一致的同一型号的高频晶体管，amp11、amp12是特性一致的同一型号的高频运算放大器，两路信号经过相同的放大分别进入比较器反、正输入端，由于此时输入比较器两端的信号完全一致，属于共模信号，所以比较器此时没有信号输出。
当电路中有门脉冲到来时，在门脉冲持续的10ns时间内，A、B两点信号为一个10ns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。假设此刻有一个光子入射到APD，由于工作在“盖革模式”下，该光子激发起雪崩，电阻R8有雪崩电流流过，此时B点有一个微弱的雪崩信号叠加在原来的充放电信号之上，经Q2(或amp12)放大后进入比较器；A点信号仅为充放电信号，经Q1(或amp11)放大后进入比较器；由于两端所加门脉冲相同，两端放大的充放电信号相同，是共模信号，相互抵消，而经放大的雪崩信号是APD这端独有的，它是一个差模信号，所以经过比较器产生了一个逻辑信号，再经单稳态触发器整形之后输出，由计数器进行计数。
本实施例与被动抑制模式电路比较如下：T＝-60℃，f＝100kHz，
| 探测效率 | 噪声(每纳秒) | |
| 被动抑制模式 | 9.58％ | 4.0×10-5 |
| 门脉冲抑制模式 | 10.6％ | 6.3×10-6 |
Claims (7)
1、一种APD单光子探测的电路模块，主要包括信号探测电路、信号放大电路以及逻辑信号的产生电路，其特征在于还包括平衡抑制电路，其中探测电路连接信号放大电路，探测电路和信号放大电路所构成的组合电路与平衡抑制电路之间连接有逻辑信号的产生电路。
2、根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的平衡抑制电路，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致，在信号探测及放大电路构成的组合电路中对应于可变电容C0处使用的是雪崩光电二极管APD。
3、根据权利要求1或2所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的平衡抑制电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C0、C1，二极管D1，三极管Q1构成，除可变电容C0之外，电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致、一一对应。
4、根据权利要求1或2所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的平衡抑制电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C0、C1，二极管D1，集成运算放大器amp11构成，除可变电容C0之外，其电路连接以及各元器件参数的选取与信号探测及放大电路构成的组合电路完全一致、一一对应。
5、根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的信号探测电路由电容C2，电阻R7、R8，雪崩光电二极管APD构成，其中C2为耦合电容，其一端与门脉冲连接，另外一端与APD阴极连接，R7一端与高压HV相连，另外一端与APD阴极相连，R8为取样电阻，其一端与APD阳极相连，另外一端接地。
6、根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的信号放大电路由电阻R5、R6、三极管Q2构成，为共基极放大电路，其中R5一端与正电源连接，另外一端与三极管Q2的集电极相连，三极管Q2基极接地，发射极通过R6接负电源，集电极与R5连接的同时与逻辑信号的产生电路中的比较器的正端相连。
7、根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的电路模块，其特征在于所述的信号放大电路由一集成运算放大器amp12、电阻R5、R6构成。
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