一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法
2023-06-02 02:36:41 3
專利名稱：一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信技術領域中的量子保密通信和微弱紅外光探測領域，具體涉及一種低時間抖動低噪的吉赫茲高速近紅外單光子探測方法。
背景技術：
單光子探測技術是超靈敏光信號檢測的諸多技術之一，在物理學、化學、生物學等學科以及工程應用領域有著十分廣泛的應用。近年來，隨著量子信息科學的興起以及超靈敏光譜學的發展，單光子探測器技術在其中扮演著越來越重要的作用。在眾多波段的單光子探測技術中，近紅外單光子探測技術由於其應用的廣泛性和重要性引起了更多的關注，尤其是在具有重要應用價值的量子保密通信系統中，通信波段的近紅外單光子探測器作為核心器件，直接決定了系統的通信距離、成碼率和誤碼率。現在廣為使用的通信系統和加密方式，原則上都可以被竊聽，存在安全隱患。量子保密通信系統是一種以單光子或者糾纏光子對作為信息載體的絕對安全的保密通信系統。當信源與信宿之間用單光子傳輸信息時，由於長距離光纖信道中的損耗，會損失大量攜帶信息的單光子， 為了實現實用化的量子密鑰分發技術，探測器需要有較高的探測效率、較低的暗計數率(即信噪比高)和較高的工作頻率(提高成碼率)。近年來，國內外對單光子探測的研究不斷深入，各個研究小組都提出了實用化的探測方案，商用化的單光子探測器也日漸成熟。瑞士日內瓦的Id quantique公司開發的 ID200系列產品是第一套成熟的穩定的基於InGaAsAnP雪崩光電二極體(APD)單光子探測器，隨後國內華東師範大學的研究小組和美國I^rinceton Lightwave公司也分別推出了自己的研究成果SPD3和PGA-600，為單光子探測器的大家庭增添了新的成員。這些探測器的信噪比高，工作穩定，在實用性和指標上各有千秋，唯一的不足是工作頻率較低，最高的工作頻率僅為8MHz，隨著量子保密通信系統高速化方向的發展，這些產品已經很難滿足現今的需求，高速的探測器的研發已經迫在眉睫。單光子探測器一般工作門模式下，工作頻率的提高，會使得由於APD容性效應充放電帶來的尖峰噪聲大幅度增大，同時雪崩的時間減少了，降低了雪崩幅度，使得雪崩信號難以從尖峰噪聲中分辨出來。所以高速單光子探測的關鍵技術是如何從尖峰噪聲中提起微弱的雪崩信號。當單光子探測器的工作頻率到了幾十兆赫茲以上，一般提取雪崩信號的方法有兩種，一種是自平衡方法，一種是使用濾波的方法。自平衡的方法利用尖峰噪聲的自相關性，將APD出來的響應信號分成兩路，其中一路延時一個周期，兩路響應信號相減，從而抵消尖峰噪聲。平衡過程中雪崩信號也分成了兩路，降低了雪崩幅度，不利於提高探測器的信噪比。濾波的方法則利用噪聲頻譜成分簡單，容易濾去的特點，直接將噪聲濾去，電路簡單。但是在濾去噪聲的同時，也濾去了雪崩信號相應的頻譜成分，破壞了雪崩信號的完整性，多次濾波不僅會降低雪崩信號的幅度，也會增大單光子探測器的時間抖動。在雷射測距中，單光子探測器的時間抖動程度直接決定了整套的測量精度，使用多次濾波的方法時間抖動太大，難以滿足測距的要求。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足之處，提供一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法利用低通濾波和平衡電路相結合的方式除去尖峰噪聲，提取雪崩信號，獲得較高的探測效率，並且控制時間抖動在幾十皮秒內。本發明目的實現由以下技術方案完成
一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法將單光子信號轉換成雪崩電信號，然後將雪崩電信號提取出來轉成數位訊號輸出，該方法的電路連接中至少包括信號探測電路，用於將單光子信號轉換成雪崩電信號；噪聲抑制電路，連接信號探測電路，並將所述雪崩信號從尖峰噪聲中提取出來；信號處理電路，將提取出來的雪崩電信號轉換成數位訊號輸出，其特徵在於所述噪聲抑制電路採用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極體上，雪崩光電二極體的響應輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然後將另一路正弦信號衰減到與經過低通濾波器的雪崩光電二極體響應信號的幅度相同，送入平衡電路與經過低通濾波的雪崩光電二極體響應信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號。其特徵在於，所述雪崩光電二極體工作在吉赫茲的正弦門模式下。本發明的優點在於，用低通濾波器與平衡電路相結合的方法，極大的提高了單光子探測器的信噪比，減少了時間抖動，與傳統的正弦門相比，本發明減少了濾波器的使用， 在保證尖峰噪聲抑制比的情況下，最大限度的保持了雪崩信號的幅度和完整性，減少了時間抖動，同時，與傳統的自平衡相比，最後平衡時雪崩信號沒有被分成兩路，保持了雪崩幅度，提高了信噪比。
附圖概述
附
圖1為本發明實施例的系統框圖； 附圖2為本發明實施例模擬電路原理圖。具體技術方案
以下結合附圖通過實施例對本發明特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解
本發明採用吉赫茲(GHz)的正弦信號作為門信號加載在APD上，其重複頻率為ω，經過 APD後的門信號的頻譜成分僅出現在ω、2ω、3ω等ω的整數倍上，同時雪崩信號的頻譜成分大部分在GHz以下，故通過使用一個截止頻率為ω的低通濾波器即可將噪聲濾去提取雪崩信號。但是只用一個低通濾波器，尖峰噪聲的抑制比不夠，使用更多的低通濾波器，會提高抑制比，但是雪崩信號也會被衰減更多。由於經過低通濾波器的尖峰噪聲信號幾乎是重複頻率為ω的正弦信號，與門信號相似，因此本發明將門信號分成兩路，其中一路的幅度衰減到與經過低通濾波器的尖峰噪聲的幅度相同，送入平衡電路，提取雪崩信號。提取出來的雪崩信號經過放大，比較，轉換成數位訊號，緩衝後送入計數器，進行計數。實施例如圖1-2所示，標號1-13分別表示探測電路1、噪聲抑制電路2、信號處理電路3、移相器4、射頻放大器5、低通濾波器6、射頻放大器7、比較器8、可調衰減器9、功率分束器10、正弦信號發生器11、高功率放大器12、帶通濾波器13。
如圖1所示，探測電路通過APD將單光子信號轉換成電信號。轉換的電信號中，雪崩信號湮沒在由於APD的容性效應帶來的尖峰噪聲裡，通過噪聲抑制電路將雪崩信號提取出來。噪聲抑制電路由低通濾波器和平衡電路組成，信號先通過低通濾波器再與衰減後的正弦信號平衡，除去噪聲，提取雪崩信號。最後將提取出來的雪崩信號經過信號處理電路轉換成數位訊號，輸出計數。本實施例的具體模擬電路原理如圖2所示。正弦信號發生器11產生重複頻率為 ω的正弦信號，通過功率分束器10分成兩等份。其中一份正弦信號經過高功率放大器12 放大，通過一個帶通濾波器13後作為門脈衝加載在APD上。正弦信號發生器產生的正弦信號幅度有限，經過一個高功率放大器12後，正弦信號的幅度調節範圍更大，能夠完全滿足探測器最佳工作點所需的門脈衝幅度。經過高功率放大器12後，會產生其他頻率的旁路噪聲和諧振噪聲，通過一個中心頻率為ω的帶通濾波器13濾去。調節APD兩端的偏置電壓使其工作在雪崩模式下，將光信號轉化成雪崩信號。APD輸出的雪崩信號湮沒在尖峰噪聲裡，通過一個截止頻率為ω的低通濾波器2濾去尖峰噪聲。過濾後的APD輸出信號輸入功率合束器3進行平衡。平衡電路的參考信號為衰減後的正弦信號，通過可調衰減器9使其幅度與過濾後的尖峰噪聲相同，通過移相器4使二者的相位相差1 8 0°。經過功率合束器3後，尖峰噪聲基本上被減少到熱噪聲水平，可以忽略不計，雪崩信號提取出來。經過兩個射頻放大器5、7進行放大後的雪崩信號經過比較器8後轉換成數位訊號，經過緩衝後即可送入計數器進行計數，實現單光子探測。兩個射頻放大器5、7之間加入一個截止頻率為 2 ω的低通濾波器6可以避免這兩個放大器5、7之間的串擾，影響信號。本發明由信號探測電路1、噪聲抑制電路2、信號處理電路3構成。其中信號探測電路1將用APD將探測到的光信號轉換成為雪崩電信號送入噪聲抑制電路2，噪聲抑制電路2抑制尖峰噪聲，提取雪崩信號，最後提取出來的雪崩信號進入信號處理電路3，將模擬信號轉換成數位訊號進行計數。由於APD的容性效應，在將光信號轉換成雪崩電信號的同時，也會產生尖峰噪聲。通過使用一個低通濾波器2即可將噪聲濾去提取雪崩信號。但是只用一個低通濾波器2，尖峰噪聲的抑制比不夠，所以將正弦門信號分成兩路，其中一路的幅度衰減到與經過低通濾波的尖峰噪聲的幅度相同，然後送入平衡電路與經過低通濾波的尖峰噪聲平衡，提取雪崩信號。信號處理電路由信號放大、比較、緩衝、計數四部分構成，雪崩信號經過放大之後進入比較器8，由比較器8出來的信號經過緩衝之後進入計數器計數。
權利要求
1.一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，該方法將單光子信號轉換成雪崩電信號，然後將雪崩電信號提取出來轉成數位訊號輸出，該方法的電路連接中至少包括信號探測電路，用於將單光子信號轉換成雪崩電信號；噪聲抑制電路，連接信號探測電路，並將所述雪崩信號從尖峰噪聲中提取出來；信號處理電路，將提取出來的雪崩電信號轉換成數位訊號輸出，其特徵在於所述噪聲抑制電路採用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極體上，雪崩光電二極體的響應輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然後將另一路正弦信號衰減到與經過低通濾波器的雪崩光電二極體響應信號的幅度相同，送入平衡電路與經過低通濾波的雪崩光電二極體響應信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號。
2.根據權利要求1所述的一種低時間抖動低噪的吉赫茲單光子探測方法，其特徵在於，所述雪崩光電二極體工作在吉赫茲的正弦門模式下。
全文摘要
本發明涉及光纖通信技術領域中的量子保密通信和微弱紅外光探測領域，具體涉及一種低時間抖動低噪的吉赫茲高速近紅外單光子探測方法，該方法涉及的控制電路由信號探測電路、噪聲抑制電路、信號處理電路組成，所述噪聲抑制電路採用如下方法提取雪崩電信號將吉赫茲的正弦信號分成兩路，其中一路通過放大作為門信號加載在雪崩光電二極體上，雪崩光電二極體的響應輸出信號先輸入至一個低通濾波器，然後將另一路正弦信號衰減到與經過低通濾波器的雪崩光電二極體響應信號的幅度相同，送入平衡電路與經過低通濾波的雪崩光電二極體響應信號平衡，從而除去尖峰噪聲，提取雪崩電信號，該方法利用低通濾波和平衡電路相結合的方式除去尖峰噪聲，提取雪崩信號，獲得較高的探測效率，並且控制時間抖動在幾十皮秒內。
文檔編號G01J11/00GK102230828SQ201110086580
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者任旻, 吳光, 曾和平, 梁焰, 武愕, 潘海峰, 簡軼, 陳修亮 申請人:華東師範大學