專利名稱：全集成型高速單光子探測系統(tǒng)及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及量子通信、量子密碼等需要極微弱光探測的領(lǐng)域，具體是一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)及其探測方法。
背景技術(shù)：
單光子探測器是進(jìn)行超弱光探測的主要工具，在眾多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。單光子探測器的基本工作原理是雪崩光電二極管APD工作在蓋革模式，即雪崩二極管的反向偏置電壓超過二極管的雪崩電壓。當(dāng)入射的單個光子被吸收后，會產(chǎn)生一對載流子，由于碰撞電離效應(yīng)，載流子會形成雪崩效應(yīng)并最終輸出宏觀電流，后端的淬滅電路在探測到雪崩信號后會復(fù)位電路到初始狀態(tài)，以用于探測下一個光子并同時輸出探測信號。在每次雪崩之后，由于倍增層材料的缺陷和雜質(zhì)，會捕獲部分雪崩過程中產(chǎn)生的具有一定壽命的載流子，當(dāng)被捕獲的載流子釋放時，如果雪崩二極管仍然工作在蓋革模式，那么這個釋放的載流子就有可能再次激發(fā)一次雪崩信號，這種效應(yīng)稱為后脈沖效應(yīng)，后脈沖效應(yīng)嚴(yán)重限制了單光子探測器的性能。除了基于雪崩光電二極管的單光子探測器，也存在著其他類型的單光子探測技術(shù)，比如光電倍增管和超導(dǎo)單光子探測器。由于光電倍增管的探測效率極低，當(dāng)前已經(jīng)極少有人使用；至于超導(dǎo)單光子探測器，需要體積龐大、操作繁瑣且價格昂貴的超低溫冷卻系統(tǒng)，所以難以在實(shí)際應(yīng)用中使用。相比較而言，基于雪崩光電二極管的單光子探測器具有體積小、便于系統(tǒng)集成、不需要超低溫而只需要普通熱電制冷、成本低等眾多優(yōu)勢。然而，由于技術(shù)的限制，傳統(tǒng)的單光子探測器的工作頻率通常在MHz量級，最高也不超過20 MHz，這嚴(yán)重限制了探測器及應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于提供一種能夠嚴(yán)格抑制后脈沖效應(yīng)、大大提高計(jì)數(shù)率的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，包括精密時鐘源VI，精密時鐘源Vl的輸出端與輸入濾波及放大模塊的輸入端相連，輸入濾波及放大模塊的輸出端與溫控模塊相連，雪崩光電二極管APD、低噪聲直流偏置電源 Pl封裝在溫控模塊內(nèi)，溫控模塊通過定向耦合器與輸出濾波及放大模塊的輸入端相連，輸出濾波及放大模塊的輸出端通過甄別符合及死時間設(shè)置模塊與計(jì)數(shù)模塊相連。本發(fā)明還公開了一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法，該方法包括下列順序的步驟(1)溫控模塊上電，雪崩光電二極管APD開始自動冷卻并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，探測系統(tǒng)的低噪聲直流偏置電源Pl開始上電并緩慢上升到設(shè)定電壓值，同時探測系統(tǒng)所有其他部分開始上電，探測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；
(2)設(shè)定甄別符合及死時間設(shè)置模塊的參數(shù)值后，控制系統(tǒng)會自動提高低噪聲直流偏置電源Pl的電壓，直到探測器的探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值，當(dāng)探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備接收光子狀態(tài)；
(3)當(dāng)激光脈沖的光子到達(dá)后，控制系統(tǒng)開始掃描壓控相移器Sl的控制電壓并尋找峰值點(diǎn)，計(jì)數(shù)模塊實(shí)時顯示光子探測計(jì)數(shù)率。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的工作頻率高，通常工作頻率可達(dá)2 GHz，計(jì)數(shù)率可達(dá)100 MHz0由于探測器工作頻率非常高，有效門控時間極短，因此后脈沖效應(yīng)得到了嚴(yán)格地抑制；甄別符合及死時間設(shè)置模塊可最大程度地避免誤甄別事件，從而有效降低了探測器的暗計(jì)數(shù)，提高了計(jì)數(shù)率，因此特別適合于量子密碼系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的電路框圖2是本發(fā)明中單光子雪崩信號的波形圖。
具體實(shí)施例方式一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，包括精密時鐘源VI，精密時鐘源Vl通過高穩(wěn)定性壓控晶體振蕩器及鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)，提供門控時鐘信號及系統(tǒng)同步信號。精密時鐘源 Vl的輸出端分別與輸入濾波及放大模塊1的輸入端、壓控相移器Sl的輸入端相連，壓控相移器Si精密調(diào)節(jié)光子到達(dá)門控信號的位置，使得高速單光子探測系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率始終保持在最高值。輸入濾波及放大模塊1的輸出端與溫控模塊2相連，雪崩光電二極管APD、低噪聲直流偏置電源Pl封裝在溫控模塊2內(nèi)，溫控模塊2的溫度可由用戶控制。溫控模塊2通過定向耦合器3與輸出濾波及放大模塊4的輸入端相連，輸出濾波及放大模塊4的輸出端通過甄別符合及死時間設(shè)置模塊5與計(jì)數(shù)模塊6相連，如圖1所示。本發(fā)明可適用于銦鎵砷/銦磷雪崩光電二極管以及低雪崩電壓的硅雪崩光電二極管。如圖1所示，所述的輸入濾波及放大模塊1由低噪聲射頻功率放大器Al和帶通濾波器Fl組成，輸入濾波及放大模塊1進(jìn)一步改善門控時鐘信號的頻譜特性和放大信號幅度，精密時鐘源Vl的輸出端與低噪聲射頻功率放大器Al的輸入端相連，低噪聲射頻功率放大器Al的輸出端與帶通濾波器Fl的輸入端相連；雪崩光電二極管APD、電阻R1、交流耦合輸出電路和低噪聲直流偏置電源Pl封裝在溫控模塊2內(nèi)，電阻Rl的一端接地，電阻Rl的另一端與雪崩光電二極管APD的陰極相連。帶通濾波器Fl的輸出端分別與電阻Rl和雪崩光電二極管APD的陰極相連。所述的交流耦合輸出電路由電阻R2和電容Cl組成，電阻R2 的一端接低噪聲直流偏置電源P1，電阻R2的另一端接雪崩光電二極管APD的陽極，電容Cl 的一端分別與電阻R2和雪崩光電二極管APD的陽極相連，電容Cl的另一端與定向耦合器3 的輸入端相連。交流耦合輸出電路跟傳統(tǒng)的直流耦合輸出電路相比，雪崩信號的幅度會更大因而更容易被后端電路探測到。定向耦合器3用于隔離交流耦合輸出電路和輸出濾波及放大模塊4。如圖1所示，帶集成壓控振蕩器的精密時鐘源Vl提供高頻的主時鐘門控信號以及全局的系統(tǒng)同步時鐘信號。高頻的主時鐘門控信號經(jīng)過低噪聲射頻功率放大器Al、帶通濾波器Fl后輸出峰峰值幅度為10 V左右的正弦門控信號，并直流耦合至雪崩光電二極管APD 的陰極，同時高頻的主時鐘門控信號的頻譜噪聲得到了進(jìn)一步的抑制。電阻Rl為信號的終端匹配，雪崩光電二極管APD的陽極經(jīng)過交流耦合輸出電路輸出APD容性響應(yīng)信號和雪崩信號的疊加信號。此外，定向耦合器3可進(jìn)一步使得輸出信號進(jìn)行單向傳輸從而避免讓反射信號影響雪崩光電二極管APD。如圖1所示，由于雪崩光電二極管APD是一種非線性器件，所以即使輸入門控信號的頻譜是完美的單頻率，在雪崩光電二極管APD的容性響應(yīng)信號頻譜中也會有諧波信號。 因此，除了對主頻率進(jìn)行濾波外，對主頻率的諧波信號進(jìn)行濾波也是必不可少的。精密時鐘源Vl的另一路信號通過壓控相移器Sl后輸出至Q2，用于觸發(fā)激光脈沖信號。此外，精密時鐘源Vl提供兩路系統(tǒng)同步信號，分別輸出至Q3和Q4，由用戶使用。如圖1所示，所述的輸出濾波及放大模塊4由帶阻濾波器F2、超低噪聲射頻放大器A2、帶阻濾波器F3和低通濾波器F4組成，所述的定向耦合器3的輸出端通過帶阻濾波器 F2與超低噪聲射頻放大器A2的輸入端相連，超低噪聲射頻放大器A2的輸出端通過帶阻濾波器F3與低通濾波器F4的輸入端相連，所述的甄別符合及死時間設(shè)置模塊5由高速雙甄別電路、精密延遲線Tl和高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN組成，所述的高速雙甄別電路由高速甄別器D1、D2組成，低通濾波器F4的輸出端分別與高速甄別器D1、D2的輸入端相連，高速甄別器Dl的輸出端通過精密延遲線Tl與高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸入端相連，高速甄別器D2的輸出端與高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸入端相連，高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸出端與計(jì)數(shù)模塊6相連。高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN由符合電路和邏輯死時間設(shè)置電路兩部分組成，其中，符合電路是從雙甄別電路中提取出有效的雪崩探測信號，邏輯死時間設(shè)置電路是用來設(shè)置高速單光子探測器的死時間參數(shù)，從而進(jìn)一步降低后脈沖效應(yīng)。如圖1、2所示，低通濾波器F4的主要作用是補(bǔ)償由帶阻濾波器所造成的信號扭曲，從而使得進(jìn)入高速甄別器Dl、D2之前的模擬信號更加的平滑，低通濾波器F4輸出的典型波形如圖2所示，在圖2中，橫坐標(biāo)軸為時間，每格的時間單位為2 ns，縱坐標(biāo)軸為幅度， 每格的幅度單位為20 mV。由于該模擬信號通常為雙極性信號，采用高速甄別器D1、D2可以有效地避免由于電子學(xué)噪聲所造成的誤甄別事件，進(jìn)一步降低探測器的暗計(jì)數(shù)。高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN中的高速符合電路通過高速與門實(shí)現(xiàn)，可用來甄別雙極性雪崩信號；邏輯死時間功能通過非重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)，可用來設(shè)置高速探測器的死時間。如圖1所示，常規(guī)的死時間設(shè)置是指當(dāng)有一個雪崩信號后主動地降低雪崩光電二極管APD的反偏電壓至雪崩電壓之下并持續(xù)一定的時間，這個時間稱為“死時間”，這樣可以有效地抑制后脈沖效應(yīng)。在高速探測器中，如果應(yīng)用同樣的死時間方案則會破壞門控信號的頻譜特性，那么高速門控方案也就不會生效。因此在高速單光子探測器中無法應(yīng)用真正的死時間設(shè)置，而邏輯死時間設(shè)置則是一個有效的解決方案。邏輯死時間是指當(dāng)有一個雪崩信號時，這個雪崩信號之后的若干時間內(nèi)的其他雪崩信號都忽略不計(jì)。因此，邏輯死時間不會破壞門控信號的頻譜特性但同時實(shí)現(xiàn)了死時間的功能。
如圖1所示，本發(fā)明的基本原理是使用高速門控信號作用于雪崩光電二極管APD 上，在每個門周期內(nèi)門控作用時間極短，通常小于200 ps0在門控時間內(nèi)，雪崩光電二極管 APD工作在蓋革模式。當(dāng)入射的單個光子在門控時間內(nèi)到達(dá)而被吸收后，會產(chǎn)生一對載流子并形成雪崩效應(yīng)，最終輸出宏觀電流從而產(chǎn)生雪崩信號，由于極短的門控時間雪崩信號會非常的微弱。但是由于雪崩光電二極管APD的結(jié)電容和電路寄生電容的存在，雪崩光電二極管APD會同時輸出對于高速門控信號的容性響應(yīng)信號，這個強(qiáng)背景信號會疊加到微弱雪崩信號上，使得微弱雪崩信號無法提取。本發(fā)明的基本原理就是要移除強(qiáng)背景信號并提取微弱雪崩信號，移除強(qiáng)背景信號主要通過多個不同中心頻率的級聯(lián)帶阻濾波器來實(shí)施，提取微弱雪崩信號主要通過超低噪聲射頻放大器來實(shí)施。由于雪崩信號通常是雙極性信號， 在放大微弱信號后通過實(shí)施雙甄別方案來有效探測雪崩事件，同時通過實(shí)施邏輯死時間設(shè)置來進(jìn)一步抑制后脈沖效應(yīng)。在操作探測器時，首先，溫控模塊2上電，雪崩光電二極管APD開始自動冷卻并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，探測系統(tǒng)的低噪聲直流偏置電源Pl開始上電并緩慢上升到設(shè)定電壓值，同時探測系統(tǒng)所有其他部分開始上電，探測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；其次，設(shè)定甄別符合及死時間設(shè)置模塊5的參數(shù)值后，探測系統(tǒng)會自動提高低噪聲直流偏置電源Pl的電壓，直到探測器的探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值，當(dāng)探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備接收光子狀態(tài)；最后，當(dāng)激光脈沖的光子到達(dá)后，控制系統(tǒng)開始掃描壓控相移器Sl的控制電壓并尋找峰值點(diǎn)，計(jì)數(shù)模塊6實(shí)時顯示光子探測計(jì)數(shù)率。計(jì)數(shù)模塊6的計(jì)數(shù)時間和顯示時間間隔均可由用戶設(shè)定?？刂葡到y(tǒng)用于控制整個探測系統(tǒng)的所有電源和功能參數(shù)設(shè)置，包括精密可調(diào)的低噪聲直流偏置電源P1、低噪聲射頻功率放大器Al的供電電源P2、超低噪聲射頻放大器A2 的供電電源P3、精密時鐘源Vl的供電電源P4、壓控相移器Sl的供電電源P5，以及溫控模塊 2的溫度設(shè)置、壓控相移器Sl的相位控制、高速雙甄別電路的閾值設(shè)置、邏輯死時間參數(shù)設(shè)置、計(jì)數(shù)模塊6的計(jì)數(shù)時間和計(jì)數(shù)間隔時間等。進(jìn)一步地，探測系統(tǒng)中的溫控模塊2上電后，雪崩光電二極管APD開始自動冷卻， 經(jīng)過5 10分鐘達(dá)到用戶設(shè)定的溫度并穩(wěn)定后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)；探測系統(tǒng)的低噪聲直流偏置電源Pl開始上電并緩慢上升到設(shè)定電壓值，同時探測系統(tǒng)所有其他部分開始上電，整個探測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。設(shè)定高速甄別器D1、D2的閾值，設(shè)定邏輯死時間參數(shù)值后，控制系統(tǒng)會自動提高低噪聲直流偏置電源Pl的電壓直到探測器的探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值，當(dāng)探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備接收光子狀態(tài)；當(dāng)同步激光脈沖的光子到達(dá)后，控制系統(tǒng)開始掃描壓控相移器Sl的控制電壓并尋找峰值點(diǎn)，在探測系統(tǒng)工作一段時間后，當(dāng)光子計(jì)數(shù)率發(fā)生比較大的變化時，控制系統(tǒng)會自動地重新掃描峰值電壓。探測系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率最大值為100 MHz0
權(quán)利要求
1.一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于包括精密時鐘源VI，精密時鐘源 Vl的輸出端分別與輸入濾波及放大模塊的輸入端、壓控相移器Si的輸入端相連，輸入濾波及放大模塊的輸出端與溫控模塊相連，雪崩光電二極管APD、低噪聲直流偏置電源Pl封裝在溫控模塊內(nèi)，溫控模塊通過定向耦合器與輸出濾波及放大模塊的輸入端相連，輸出濾波及放大模塊的輸出端通過甄別符合及死時間設(shè)置模塊與計(jì)數(shù)模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述的輸入濾波及放大模塊由低噪聲射頻功率放大器Al和帶通濾波器Fl組成，精密時鐘源Vl的輸出端與低噪聲射頻功率放大器Al的輸入端相連，低噪聲射頻功率放大器Al的輸出端與帶通濾波器Fl的輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述的溫控模塊內(nèi)封裝有雪崩光電二極管APD、電阻R1、交流耦合輸出電路和低噪聲直流偏置電源P1，電阻Rl的一端接地，電阻Rl的另一端與雪崩光電二極管APD的陰極相連，帶通濾波器Fl的輸出端分別與電阻Rl和雪崩光電二極管APD的陰極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述的輸出濾波及放大模塊由帶阻濾波器F2、超低噪聲射頻放大器A2、帶阻濾波器F3和低通濾波器F4 組成，所述的定向耦合器的輸出端通過帶阻濾波器F2與超低噪聲射頻放大器A2的輸入端相連，超低噪聲射頻放大器A2的輸出端通過帶阻濾波器F3與低通濾波器F4的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述的甄別符合及死時間設(shè)置模塊由高速雙甄別電路、精密延遲線Tl和高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN組成，所述的高速雙甄別電路由高速甄別器D1、D2組成，低通濾波器F4的輸出端分別與高速甄別器Dl、D2的輸入端相連，高速甄別器Dl的輸出端通過精密延遲線Tl與高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸入端相連，高速甄別器D2的輸出端與高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸入端相連，高速符合及邏輯死時間設(shè)置電路COIN的輸出端與計(jì)數(shù)模塊相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，其特征在于所述的交流耦合輸出電路由電阻R2和電容Cl組成，電阻R2的一端接低噪聲直流偏置電源Pl，電阻R2的另一端接雪崩光電二極管APD的陽極，電容Cl的一端接在電阻R2、雪崩光電二極管APD的陽極之間，電容Cl的另一端與定向耦合器的輸入端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法，該方法包括下列順序的步驟(1)溫控模塊上電，雪崩光電二極管APD開始自動冷卻并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，探測系統(tǒng)的低噪聲直流偏置電源Pl開始上電并緩慢上升到設(shè)定電壓值，同時探測系統(tǒng)所有其他部分開始上電，探測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；(2)設(shè)定甄別符合及死時間設(shè)置模塊的參數(shù)值后，控制系統(tǒng)會自動提高低噪聲直流偏置電源Pl的電壓，直到探測器的探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值，當(dāng)探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備接收光子狀態(tài)；(3)當(dāng)激光脈沖的光子到達(dá)后，控制系統(tǒng)開始掃描壓控相移器Sl的控制電壓并尋找峰值點(diǎn)，計(jì)數(shù)模塊實(shí)時顯示光子探測計(jì)數(shù)率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法，其特征在于將探測系統(tǒng)中的溫控模塊上電，雪崩光電二極管APD開始自動冷卻，經(jīng)過5 10分鐘達(dá)到用戶設(shè)定的溫度并穩(wěn)定后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)；探測系統(tǒng)的低噪聲直流偏置電源Pl開始上電并緩慢上升到設(shè)定電壓值，同時探測系統(tǒng)所有其他部分開始上電，整個探測系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法，其特征在于設(shè)定高速甄別器Dl、D2的閾值，設(shè)定邏輯死時間參數(shù)值后，控制系統(tǒng)會自動提高低噪聲直流偏置電源Pl的電壓直到探測器的探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值，當(dāng)探測效率達(dá)到用戶指定的數(shù)值后，探測系統(tǒng)處于準(zhǔn)備接收光子狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法，其特征在于當(dāng)同步激光脈沖的光子到達(dá)后，控制系統(tǒng)開始掃描壓控相移器Si的控制電壓并尋找峰值點(diǎn)， 在探測系統(tǒng)工作一段時間后，當(dāng)光子計(jì)數(shù)率發(fā)生比較大的變化時，控制系統(tǒng)會自動地重新掃描峰值電壓，探測系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率最大值為100 MHz，計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)時間和顯示時間間隔均可由用戶設(shè)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)，包括精密時鐘源V1，精密時鐘源V1的輸出端與輸入濾波及放大模塊的輸入端相連，輸入濾波及放大模塊的輸出端與溫控模塊相連，雪崩光電二極管APD、低噪聲直流偏置電源P1封裝在溫控模塊內(nèi)，溫控模塊通過定向耦合器與輸出濾波及放大模塊的輸入端相連，輸出濾波及放大模塊的輸出端通過甄別符合及死時間設(shè)置模塊與計(jì)數(shù)模塊相連。本發(fā)明還公開了一種全集成型高速單光子探測系統(tǒng)的探測方法。本發(fā)明可嚴(yán)格抑制后脈沖效應(yīng)，探測系統(tǒng)工作頻率可達(dá)2GHz，計(jì)數(shù)率可達(dá)100MHz，特別適合于量子密碼系統(tǒng)。
文檔編號G01J11/00GK102155998SQ20111008126
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者張軍 申請人:張軍