CN208399018U - 一种近红外单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种近红外单光子探测器，属于量子保密通讯领域。该单光子探测器由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，制冷温控模块采用半导体制冷方式，单光子探测器采用放大鉴别的方案来抑制尖峰噪声。本实用新型所设计的单光子探测器采用雪崩光电二极管器件作为光敏器件，光信号损耗低、探测重复频率高，能够实现对近红外波段单光子信号的探测。

Description

一种近红外单光子探测器

技术领域

本发明涉及量子保密通讯领域，具体指一种近红外单光子探测器。

背景技术

量子保密通讯技术能够实现信息的无条件安全传递，有望从物理上根本解决现有的信息安全问题，成为下一代信息加密的主要方式。量子保密通讯要解决的一个关键问题是单光子探测的问题，如何把单光子信号检测出来，是实现量子保密通讯的基础和关键。

目前，单光子探测器的实现方案有很多，包括光电倍增管、硅雪崩光电二极管、结合频率上转换的Si-APD(硅雪崩光电二极管)单光子探测器、超导单光子探测器和InGaAs/InP-APD (铟镓砷雪崩光电二极管)单光子探测器。光电倍增管、硅雪崩光电二极管作为单光子探测器已经非常成熟，其主要工作在可见光或紫外光波段，并且重复频率较低，仅能到MHz水平。结合频率上转换的Si-APD单光子探测器在近红外单光子探测应用中系统复杂，但需要强泵浦光，且可探测光谱频段极窄。而基于临界超导特性的超导单光子探测器(如超导纳米带状线SPD)虽然在暗计数、探测效率、重复频率等性能指标表现突出，但需mk的极端低温条件，在许多应用领域无法推广实用。

随着量子通讯技术、精密测距等超高精密前沿技术的发展，对近红外波段单光子探测器的需求急剧增加。对于基于光纤的量子通讯和光电传感而言，光纤的最低光学损耗波段为 1550nm，该波段为近红外波段，更低的光信号损耗，意味着更高的探测重复频率。

近红外单光子探测器主要有超导单光子探测器、上转换单光子探测器和InGaAs单光子探测器三种主要方式。其中，超导单光子探测器具有效率高、暗计数低、探测波长范围宽等众多优势，但其要求将超导器件制冷到mk水平，因此制冷设备复杂，成本高，不利于大规模商业应用；上转换单光子探测器能够将低探测效率的近红外光转换到高探测效率的可见光，然后采用高探测效率的Si单光子探测器进行探测。该方法虽然能够提高探测效率，但是需要较强的泵浦光，系统复杂，同样不利于大规模的商业应用。

因此，如何提升单光子探测器的重复频率、信噪比等性能参数就成为了下一代单光子探测技术需要解决的核心问题，也是单光子探测器研制的趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种近红外单光子探测器，以用检测单光子信号，以解决现有单光子探测器探测重复频率低、噪声大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案来如下：

一种近红外单光子探测器，其特征在于：所述单光子探测器由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，所述制冷温控模块由热管风冷散热器、制冷腔、温度变送器、PID控制器和制冷电源组成，所述制冷温控模块采用半导体制冷方式，所述光电转换模块将光电子信号转换为电信号，并由取样电路提取该电信号，所述偏压控制模块、制冷温控模块和取样电路均与光电转换模块连接，所述取样电路和信号提取电路均与噪声抑制电路连接，所述整形输出电路与信号提取电路连接。

所述光电转换模块采用雪崩光电二极管APD。

所述制冷腔包括温度传感器和半导体制冷器，所述雪崩光电二极管APD位于制冷腔中，所述温度传感器与温度变送器连接，所述半导体制冷器与制冷电源连接，热管风冷散热器位于制冷腔一侧。

所述偏压模块采用高稳定直流电压模块作为光电转换模块的直流偏置电压，并采用低噪声、窄脉宽的门控电压产生电路作为光电转换模块的门控电路。

所述取样电路包括反向直流偏置电压和脉冲门口电压，二者一起构成反向偏置电压。

所述单光子探测器采用放大鉴别的方案来抑制尖峰噪声，所述取样电路提取的电信号经过超高带宽、低噪声放大电路后输入比较鉴别电路，鉴别后的信号经过脉宽整形和电平转换输出为标准LVTTL雪崩信号。

所述制冷腔为清洁密封腔体。

所述制冷腔的内腔选择传热性能良好的材料，并采取隔热措施减少冷量向外空间传递。

与现有技术相比，本发明有益效果为：

1)本发明采用雪崩光电二极管器件作为光敏器件，能够实现对近红外波段单光子信号的探测，光信号损耗低、探测重复频率高，能够有效增加光纤量子保密通讯系统的整体探测效率。

2)本发明所研制的近红外单光子探测器，可实现重复探测频率达40Mhz以上，远远超过现有基于紫外或可见光的单光子探测器性能，在量子通讯、光纤通讯、光纤探测等方面，具有更强实用性。3)本发明采用自主设计的放大鉴别技术来抑制尖峰噪声，利用高灵敏、高带宽、低噪声的高速方法与比较电路，可有效降低外部噪声干扰，实施单光子雪崩信号的放大鉴别，实现高精度雪崩信号的提取，满足单光子探测快速响应需求。

4)本发明所设计的近红外单光子探测器系统简单、成本低，利于大规模商业应用。

附图说明

图1是本发明所设计的近红外单光子探测器的结构示意图。

图2是近红外单光子探测器中制冷温控模块的结构示意图。

图3是近红外单光子探测器中取样电路的结构示意图。

其中，Vbias为反向直流偏置电压，gate为脉冲门控电压，RL是为了保护雪崩光电二极管APD所设定的大电阻，Rs为取样电阻，Output即为光电转换电流的输出端口。

图4是噪声抑制、信号提取和整形输出电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种近红外单光子探测器，具体实施方式如下：

一种近红外单光子探测器，由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，制冷温控模块如图2所示，由热管风冷散热器、制冷腔、温度变送器、PID控制器和制冷电源组成，制冷温控模块采用半导体制冷方式，光电转换模块将光电子信号转换为电信号，并由取样电路提取该电信号，偏压控制模块、制冷温控模块和取样电路均与光电转换模块连接，取样电路和信号提取电路均与噪声抑制电路连接，整形输出电路与信号提取电路连接。

光电转换模块采用雪崩光电二极管APD。

制冷腔包括温度传感器和半导体制冷器，雪崩光电二极管APD位于制冷腔中，温度传感器与温度变送器连接，半导体制冷器与制冷电源连接，热管风冷散热器位于制冷腔一侧。

偏压模块采用高稳定直流电压模块作为光电转换模块的直流偏置电压，并采用低噪声、窄脉宽的门控电压产生电路作为光电转换模块的门控电路。

取样电路如图3所示，Vbias为反向直流偏置电压，gate为脉冲门控电压，两者一起构成了反向偏置电压，RL是为了保护雪崩光电二极管APD所设定的大电阻，Rs为取样电阻，Output 即为光电转换电流的输出端口。

单光子探测器采用放大鉴别的方案来抑制尖峰噪声，噪声抑制、信号提取和整形输出电路结构示意图如图4所示，取样电路提取的电信号经过超高带宽、低噪声放大电路后输入比较鉴别电路，鉴别后的信号经过脉宽整形和电平转换输出为LVTTL雪崩信号。

制冷腔为清洁密封腔体。

制冷腔的内腔选择传热性能良好的材料，并采取隔热措施减少冷量向外空间传递。

以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种近红外单光子探测器，其特征在于：所述单光子探测器由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，所述制冷温控模块由热管风冷散热器、制冷腔、温度变送器、PID控制器和制冷电源组成，所述制冷温控模块采用半导体制冷方式，所述光电转换模块将光电子信号转换为电信号，并由取样电路提取该电信号，所述偏压模块、制冷温控模块和取样电路均与光电转换模块连接，所述取样电路和信号提取电路均与噪声抑制电路连接，所述整形输出电路与信号提取电路连接。

2.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述光电转换模块采用雪崩光电二极管APD。

3.根据权利要求2所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述雪崩光电二极管APD位于制冷腔中。

4.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述制冷腔包括温度传感器和半导体制冷器，所述温度传感器与温度变送器连接，所述半导体制冷器与制冷电源连接，热管风冷散热器位于制冷腔一侧。

5.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述偏压模块采用高稳定直流电压模块作为光电转换模块的直流偏置电压，并采用低噪声、窄脉宽的门控电压产生电路作为光电转换模块的门控电路。

6.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述取样电路包括反向直流偏置电压和脉冲门口电压，二者一起构成反向偏置电压。

7.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述单光子探测器采用放大鉴别的方案来抑制尖峰噪声，所述取样电路提取的电信号经过超高带宽、低噪声放大电路后输入比较鉴别电路，鉴别后的信号经过脉宽整形和电平转换输出为标准LVTTL雪崩信号。

8.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述制冷腔为清洁密封腔体。

9.根据权利要求1所述的近红外单光子探测器，其特征在于：所述制冷腔的内腔选择传热性能良好的材料，并采取隔热措施减少冷量向外空间传递。