一種對稱雙apd平衡的近紅外單光子探測器的製作方法

2023-10-18 11:12:34

專利名稱：一種對稱雙apd平衡的近紅外單光子探測器的製作方法
一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器本發明涉及一種對稱雙Aro平衡的近紅外單光子探測器，屬於高速量子探測和靈敏光電探測領域。不斷提高光電探測的靈敏度是探索和揭示微觀世界規律以及發展重要前沿科學和高新技術的基點和關鍵。高效率單光子測控不僅是現代信息科學、量子技術、精密測量、超靈敏探測等前沿學科探索的迫切需要，也為量子調控、納米研究、蛋白質研究、和單量子態測控等重大科學研究提供重要技術與器件，進而與表面等離子激元學、紅外光子學、分子電子學等新興學科交叉正在持續地推動一系列高新技術的發展。靈敏光電測量已成為空天技術發展中最核心的基礎之一，在紅外信號的傳輸和探測、超靈敏雷射測距與精確定位等領域也有重要的應用。另一方面，不斷提高光譜的檢測靈敏度，特別是藉助單光子探測技術達到量子極限的超高靈敏度，已成為現代精密光譜學發展的一個重要的新方向，在需要微弱光信號檢測的光譜痕量分析與計量領域具有非常廣闊的應用前景如環境或工業汙染監測、海關毒品爆炸品檢測與公安偵破靈敏痕量分析、煤礦礦井化工等安全生產靈敏預警、有毒危險氣體的靈敏檢漏、生物發光與生物分子的靈敏分析等，也可以用於實現單量子體系如單分子與單量子點超高靈敏度的光譜探測。單光子探測還在許多重要應用領域，諸如量子保密通信、量子通信網絡、量子黑客攻擊，量子時間同步、衛星雷射雷達、紅外光電探測、量子調控、信息安全等方面有非常重要的應用。高效率低噪聲單光子探測技術已經成為發展超高靈敏度光電探測的核心。近紅外單光子探測器在通信波段的應用中，量子密鑰分發技術可能是最受關注的領域之一。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。高速高效單光子探測同樣是發展線性光量子計算、量子保密通信網絡等量子信息技術不可或缺的關鍵儀器。近紅外單光子探測需要解決APD蓋格模式飽和增益耗盡載流子、單光子雪崩信號小於APD (雪崩光電二極體)結電容噪聲等瓶頸問題。為了實現單光子水平下的弱光信號檢測，雪崩光電二極體往往需要工作在飽和增益模式蓋格模式下以響應單個光子。然而，在如此高增益下會使得光生載流子迅速耗盡，短時間內難以恢復，限制了其工作頻率，而且無法實現光子數分辨探測。高增益同樣也帶來大噪聲，為降低噪聲常採取門限符合計數模式，其中，雪崩光電二極體結電容噪聲尖峰噪聲通常會淹沒光生載流子的雪崩信號。因此如何實現雪崩信號的穩定提取，是實現近紅外單光子探測的首要問題。通常雪崩光電二極體都是工作在門模式下的，即在不需要進行探測時Aro兩端的偏置電壓小於雪崩電壓，在需要探測的時候，在APD的陰極施加一個正電壓門脈衝，APD僅在門脈衝寬度的時間內處於蓋革模式，可以進行單光子探測。不同於連續探測模式，當光子到達的時間可預知時，門脈衝抑制電路是信噪比最高的探測方法，原因是APD僅在光子到達時開啟，處於蓋革模式，而在其他時刻AH)均處於關斷狀態，不會產生任何噪聲計數。基於門脈衝抑制電路，可以實現GHz的探測速率，但是由於APD是容性器件，門脈衝會通過APD的結電容在取樣電阻上產生一個微分信號，我們稱之為尖峰噪聲，尖峰噪聲的幅度隨著重複頻率的提高而增大，成為掩蓋雪崩信號最主要的噪聲，如何抑制門脈衝產生的尖峰噪聲，提取雪崩信號也是近年來單光子探測重點研究的技術之一。基於門脈衝工作模式的探測技術，其核心在於不斷減低微分噪聲的幅度以及提高雪崩信號的鑑別度，而目前主流的探測方法是採用平衡的思想，即生成一個與尖峰噪聲類似的共模信號，通過差模網絡抵消這個共模信號，從而提取出雪崩信號。雙Aro平衡方案，作為一種高效的探測方法，可以有效地模擬產生尖峰噪聲，達到較高的抑制比。實施中，該方案大多採用單極性偏壓的雪崩模式，加載於二個APD的電壓幅度與波形無法根據雙APD的差異調節，探測的噪聲平衡抑制受限於APD差異性能，加載於APD上的脈衝偏置電壓有限，無法獲得較高的探測效率以及較低的暗計數，方案的實施完全受限於無法根據Aro差異實現可調式平衡。另外，採用可調電容平衡方法，用可調電容替代Aro模擬產生尖峰噪聲，但是APD的結電容結構十分複雜，不同頻率電容響應不一樣，特別是在高頻區，APD的容性噪聲與加載其上的電壓幅度和頻率及波形密切相關，很難用電容模擬產生相同的容性響應效果，所以電容平衡的抑制比大多小於雙Aro平衡的抑制比，一般只適合特定較窄頻域和較低工作頻率的探測。本發明克服了上述技術的不足，提供一種對稱雙Aro平衡的近紅外單光子探測器，該探測器能較完美的抑制Aro尖峰噪聲，達到很高的抑制比，實現較寬頻域和較高工作頻率的尖峰噪聲平衡抑制探測。為實現上述目的，本發明採用了下列技術方案一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，包括順次連接的正負雙極性窄脈衝產生電路1，雙APD平衡電路4，雪崩信號提取電路5，雪崩信號鑑別輸出電路6 ;所述雙APD平衡電路4包括兩個具有相同結電容的第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4，在第一雪崩光電二極體D3的負極上連接有正極性偏壓2，第一雪崩光電二極體D3的負極與正負雙極性窄脈衝產生電路I的正極性窄脈衝輸出端連接，第一雪崩光電二極體D3的正極與第二雪崩光電二極體D4的負極連接，第二雪崩光電二極體D4正極與正負雙極性窄脈衝產生電路I的負極性窄脈衝輸出端連接；在第二雪崩光電二極體D4正極上連接有負極性偏壓3 ;所述雪崩信號提取電路5包括將第一雪崩光電二極體D3產生的雪崩電流轉變為電壓的第一取樣電路51以及將第二雪崩光電二極體D4產生的雪崩電流轉變為電壓的第二取樣電路52,在第一取樣電路51和第二取樣電路52的輸出端連接有將第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器53，所述雪崩信號鑑別輸出電路6的輸入端接在差分運算放大器53的輸出端上。在第一雪崩光電二極體D3的負極與正極性偏壓2之間連接有第一限流電阻R21，在第二雪崩光電二極體D4正極與負極性偏壓3之間連接有第二限流電阻R41。
所述正負雙極性窄脈衝產生電路I包括順次連接的時鐘脈衝發生器11，用於調脈寬的微分電路12，產生正負兩路對稱脈衝的高速ECL比較器13，使正負兩路脈衝保持一致脈衝與幅度加在第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4上的壓縮整形放大電路14。所述微分電路12包括電容C2和電阻R10，電容C2的一端與時鐘脈衝發生器11的輸出端連接，電容C2的另一端與電阻RlO的一端和高速ECL比較器13的正相輸入端連接，電阻RlO的另一端接地。所述高速ECL比較器13的反相輸入端由外部提供的精準電壓作為比較閾值，所述高速ECL比較器13上設有輸出正脈衝的第一輸出端Q和輸出負脈衝的第二輸出端β。 壓縮整形放大電路14包括第一寬帶放大器141和第二寬帶放大器142，第一寬帶放大器141的輸入端與高速ECL比較器13的第一輸出端Q之間連接有第一脈衝壓縮電路143，第二寬帶放大器142的輸入端與高速ECL比較器13的第二輸出端&之間連接有第二脈衝壓縮電路144。在第一雪崩光電二極體D3負極、第二雪崩光電二極體D4正極與第一寬帶放大器141、第二寬帶放大器142輸出端之間連接有鉗位電路。所述第一取樣電路51包括第一取樣電阻R36和第一傳輸線變壓器Tl,第一取樣電阻R36連接在第一雪崩光電二極體D3正極和負極性偏壓3之間，第一傳輸線變壓器Tl的初級線圈兩端分別連接在第一取樣電阻R36兩端，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈一端與差分運算放大器53的一個輸入端連接，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈另一端接地；所述第二取樣電路52包括第二取樣電阻R26和第二傳輸線變壓器Τ2，第二取樣電阻R26連接在第二雪崩光電二極體D4正極和負極性偏壓3之間，第二傳輸線變壓器Τ2的初級線圈兩端分別連接在第二取樣電阻R26兩端，第二傳輸線變壓器Τ2的次級線圈一端與差分運算放大器53的另一個輸入端連接，第二傳輸線變壓器Τ2的次級線圈另一端接地。所述雪崩信號鑑別輸出電路6包括鑑別高速比較器61。與現有技術相比，本發明的有益效果是摒棄了傳統的單極性偏壓的雪崩模式，採用了雙極性門脈衝配合雙極性偏壓來激勵兩個雪崩光電二極體，和同類技術相比，在相同的偏壓幅度和門脈衝幅度的情況下能得到更高的探測效率，以及較低的暗計數，並採用了雙APD平衡的方法消除APD結電容的容性噪聲，能實現高速運行，各部分電路工作穩定，能夠良好的實現對近紅外波段單光子高效探測。

圖1為本發明的電路方框圖；圖2為本發明的雙APD平衡電路和雪崩信號提取電路的連接示意圖；圖3為本發明的正負雙極性窄脈衝產生電路的電路原理圖；圖4為本發明為雪崩信號提取電路和雪崩信號鑑別輸出電路的電路原理圖。以下通過附圖結合具體實例方式對本發明作進一步詳細說明如圖1-2，本發明介紹一種對稱雙AH)平衡的近紅外單光子探測器，包括順次連接的正負雙極性窄脈衝產生電路1，雙APD平衡電路4，雪崩信號提取電路5，雪崩信號鑑別輸出電路6 ;所述雙APD平衡電路4包括兩個具有相同結電容的第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4，在第一雪崩光電二極體D3的負極上連接有正極性偏壓2，第一雪崩光電二極體D3的負極與正負雙極性窄脈衝產生電路I的正極性窄脈衝輸出端連接，第一雪崩光電二極體D3的正極與第二雪崩光電二極體D4的負極連接，第二雪崩光電二極體D4正極與正負雙極性窄脈衝產生電路I的負極性窄脈衝輸出端連接；在第二雪崩光電二極體D4正極上連接有負極性偏壓3 ;所述雪崩信號提取電路5包括將第一雪崩光電二極體D3產生的雪崩電流轉變為電壓的第一取樣電路51以及將第二雪崩光電二極體D4產生的雪崩電流轉變為電壓的第二取樣電路52，在第一取樣電路51和第二取樣電路52的輸出端連接有將第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器53，所述雪崩信號鑑別輸出電路6的輸入端接在差分運算放大器53的輸出端上。這裡採用了兩支同型號的雪崩光電二極體，最大限度的保證了其電容特性的一致性，將其串聯後，再用同樣幅度、頻率和脈寬的兩個門脈衝分別激勵此雙APD，使其產生極性相反的尖峰脈衝。 在第一雪崩光電二極體D3的負極與正極性偏壓2之間連接有第一限流電阻R21，在第二雪崩光電二極體D4正極與負極性偏壓3之間連接有第二限流電阻R41。如圖3，所述正負雙極性窄脈衝產生電路I包括順次連接的時鐘脈衝發生器11，微分電路12，高速ECL比較器13，壓縮整形放大電路14。時鐘脈衝發生器11用於產生時鐘信號。微分電路12用於調脈寬,所述微分電路12包括電容C2和電阻R10，電容C2的一端與時鐘脈衝發生器11的輸出端連接，電容C2的另一端與電阻RlO的一端和高速ECL比較器13的正相輸入端連接，電阻RlO的另一端接地。所述高速ECL比較器13的反相輸入端由外部提供的精準電壓作為比較閾值，所述高速ECL比較器13上設有輸出正脈衝的第一輸出端Q和輸出負脈衝的第二輸出端g。高速ECL比較器13產生正負兩路對稱脈衝分別從第一輸出端Q和第二輸出端β輸出。壓縮整形放大電路14使正負兩路脈衝保持一致脈衝與幅度加在第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4上。壓縮整形放大電路14包括第一寬帶放大器141和第二寬帶放大器142,第一寬帶放大器141的輸入端與高速ECL比較器13的第一輸出端Q之間連接有第一脈衝壓縮電路143，第二寬帶放大器142的輸入端與高速ECL比較器13的第二輸出端&之間連接有第二脈衝壓縮電路144。第一脈衝壓縮電路143，第二脈衝壓縮電路144的電路結構相同。第一脈衝壓縮電路143由電阻R2、R3、R4、R5，固定電容Cl和可調電容C9組成，第二脈衝壓縮電路144由電阻R12、R13、R15、R16，固定電容C5和可調電容ClO組成。時鐘脈衝發生器11產生的時鐘信號通過C2和RlO組成的微分電路形成微分信號再進入高速ECL比較器13的正相輸入端，其反相輸入端由外部提供的精準電壓作為比較閾值，可以由電阻分壓獲得，也可以由電壓源提供，高速ECL比較器13輸出的脈衝寬度就是由比較閾值決定，高速ECL比較器13有第一輸出端Q和第二輸出端^輸出的信號為對稱的、正負相反的脈衝，它們分別通過脈衝壓縮電路壓縮後，兩路脈衝再分別通過寬帶放大器提聞其幅度，最終輸出A、B兩路窄脈衝。如圖4，在第一雪崩光電二極體D3負極、第二雪崩光電二極體D4正極與第一寬帶放大器141、第二寬帶放大器142輸出端之間連接有鉗位電路。鉗位電路由肖特基二極體D1、D2和電容C8、C6組成，鉗位電路將基準電平鉗制在零點位。所述第一取樣電路51包括第一取樣電阻R36和第一傳輸線變壓器Tl,第一取樣電阻R36連接在第一雪崩光電二極體D3正極和負極性偏壓3之間，第一傳輸線變壓器Tl的初級線圈兩端分別連接在第一取樣電阻R36兩端，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈一端與差分運算放大器53的一個輸入端連接，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈另一端接地；所述第二取樣電路52包括第二取樣電阻R26和第二傳輸線變壓器T2，第二取樣電阻R26連接在第二雪崩光電二極體D4正極和負極性偏壓3之間，第二傳輸線變壓器T2的初級線圈兩端分別連接在第二取樣電阻R26兩端，第二傳輸線變壓器T2的次級線圈一端與差分運算放大器53的另一個輸入端連接，第二傳輸線變壓器T2的次級線圈另一端接地。雪崩信號鑑別輸出電路6包括鑑別高速比較器61。
電源VCC和VEE是由外部提供的正負雙極性高壓，他們分別通過限流電阻R21和R41與正負雙極性窄脈衝產生電路I輸出的兩門脈衝匯合，共同加載在第一雪崩光電二極體D3、第二雪崩光電二極體D4的兩端。所述第一取樣電阻R36用於將第一雪崩光電二極體D3產生的雪崩電流轉變為電壓，然後通過匝數比是1:1的第一傳輸線變壓器Tl將信號傳輸到後級，與此同時，雙極性高壓與脈衝同時也加載在另一個具有相同結電容的第二雪崩光電二極體D4上，其產生的容性噪聲與第一雪崩光電二極體D3產生的非常相似，所述第二取樣電阻R26用於將第二雪崩光電二極體D4產生的雪崩電流轉變為電壓，然後通過匝數比是1:1的第二傳輸線變壓器T2將信號傳輸到後級,第一傳輸線變壓器Tl、第二傳輸線變壓器T2輸出的信號同時進入差分運算放大器53,這樣一來,第一雪崩光電二極體D3的容性噪聲就很好的消除，雪崩信號就被很好的顯露出來。夾雜著少量噪聲的雪崩信號再通過鑑別高速比較器61進行鑑別，從而得到高效的單光子計數。本發明利用雙極性窄脈衝配合雙極性偏壓作為雪崩光電二極體的激勵源，降低了傳統的門模式對於門脈衝的要求，實現了高速近紅外單光子探測。使用的元器件可以如下選擇Cl:5pF C2:1OOpF C5:5pF C6:15nF C8:15nFC9:20pF 可調 CIO: 20pF 可調C20:15pF C415:0.1uF C416:56uF C417:0.1uFC418:0.1uF C420:0.1uF C421:0.1uF C424:0.1uFRl: 300 Ω R2:150Q R3:150Q R4:150Q R5:150QR6:100Q R7:300 Ω R8:300 Ω R9:300 Ω RIO: 50 ΩR12:150Q R13:150Q R14:300Q R15:150Q R16:150QR17:100Q R18:300Q R21:56kQ R25:100Q R26:50QR27:50Q R35:510Q R36:50Q R37:50Q R40:510QR41:56kQ R413:25Q R414:220Q R415:10Q R416:10QR417:10kQ R418:510Q R419:510QDl,D2:肖特基二極體Tl, T2:ETC1-1-13U1:AD80009 U2:AD96685 U3:AD8351 U4:AD96685。
權利要求
1.一種對稱雙Aro平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於包括順次連接的正負雙極性窄脈衝產生電路(1)，雙APD平衡電路(4)，雪崩信號提取電路(5)，雪崩信號鑑別輸出電路(6);所述雙APD平衡電路(4)包括兩個具有相同結電容的第一雪崩光電管D3、第二雪崩光電管D4，在第一雪崩光電管D3的負極上連接有正極性偏壓(2)，第一雪崩光電管D3的負極與正負雙極性窄脈衝產生電路(I)的正極性窄脈衝輸出端連接，第一雪崩光電管D3的正極與第二雪崩光電管D4的負極連接，第二雪崩光電管D4正極與正負雙極性窄脈衝產生電路(I)的負極性窄脈衝輸出端連接；在第二雪崩光電管D4正極上連接有負極性偏壓(3);所述雪崩信號提取電路(5)包括將第一雪崩光電管D3產生的雪崩電流轉變為電壓的第一取樣電路(51)以及將第二雪崩光電管D4產生的雪崩電流轉變為電壓的第二取樣電路(52)， 在第一取樣電路(51)和第二取樣電路(52)的輸出端連接有將第一雪崩光電管D3、第二雪崩光電管D4產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器(53)，所述雪崩信號鑑別輸出電路(6)的輸入端接在差分運算放大器(53)的輸出端上。
2.根據權利要求1所述的一種對稱雙AH)平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於在第一雪崩光電管D3的負極與正極性偏壓(2)之間連接有第一限流電阻R21，在第二雪崩光電管D4正極與負極性偏壓(3)之間連接有第二限流電阻R41。
3.根據權利要求1或2所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於所述正負雙極性窄脈衝產生電路(I)包括順次連接的時鐘脈衝發生器(11)，用於調脈寬的微分電路(12)，產生正負兩路對稱脈衝的高速ECL比較器(13)，使正負兩路脈衝保持一致脈衝與幅度加在第一雪崩光電管D3、第二雪崩光電管D4上的壓縮整形放大電路(14)。
4.根據權利要求3所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於所述微分電路(12)包括電容C2和電阻R10，電容C2的一端與時鐘脈衝發生器(11)的輸出端連接，電容C2的另一端與電阻RlO的一端和高速ECL比較器(13)的正相輸入端連接，電阻 RlO的另一端接地。
5.根據權利要求4所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於所述高速ECL比較器(13)的反相輸入端由外部提供的精準電壓作為比較閾值,所述高速ECL 比較器(13)上設有輸出正脈衝的第一輸出端Q和輸出負脈衝的第二輸出，舊
6.根據權利要求5所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於壓縮整形放大電路(14)包括第一寬帶放大器(141)和第二寬帶放大器(142)，第一寬帶放大器(141)的輸入端與高速ECL比較器(13)的第一輸出端Q之間連接有第一脈衝壓縮電路 (143)，第二寬帶放大器(142)的輸入端與高速ECL比較器(13)的第二輸出端^之間連接有第二脈衝壓縮電路(144)。
7.根據權利要求6所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於在第一雪崩光電管D3負極、第二雪崩光電管D4正極與第一寬帶放大器(141)、第二寬帶放大器(142)輸出端之間連接有鉗位電路。
8.根據權利要求1所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於所述第一取樣電路(51)包括第一取樣電阻R36和第一傳輸線變壓器Tl,第一取樣電阻R36連接在第一雪崩光電管D3正極和負極性偏壓(3)之間，第一傳輸線變壓器Tl的初級線圈兩端分別連接在第一取樣電阻R36兩端，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈一端與差分運算放大器(53)的一個輸入端連接，第一傳輸線變壓器Tl的次級線圈另一端接地；所述第二取樣電路(52)包括第二取樣電阻R26和第二傳輸線變壓器T2，第二取樣電阻R26連接在第二雪崩光電管D4正極和負極性偏壓(3)之間，第二傳輸線變壓器T2的初級線圈兩端分別連接在第二取樣電阻R26兩端，第二傳輸線變壓器T2的次級線圈一端與差分運算放大器(53)的另一個輸入端連接，第二傳輸線變壓器T2的次級線圈另一端接地。
9.根據權利要求8所述的一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特徵在於雪崩信號鑑別輸出電路(6)包括鑑別高速比較器(61)。
全文摘要
本發明公開了一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，包括順次連接的正負雙極性窄脈衝產生電路，雙APD平衡電路，雪崩信號提取電路，雪崩信號鑑別輸出電路；所述雙APD平衡電路包括兩個串聯在一起具有相同結電容的雪崩光電二極體，在兩個雪崩光電二極體串聯後的兩端連接有正、負極性偏壓，兩個雪崩光電二極體與正負雙極性窄脈衝產生電路的兩個輸出端；所述雪崩信號提取電路包括將雪崩光電二極體產生的雪崩電流轉變為電壓的取樣電路，在取樣電路輸出端連接有將兩個雪崩光電二極體產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器，所述雪崩信號鑑別輸出電路的輸入端接在差分運算放大器的輸出端上。本探測器能較完美的抑制APD尖峰噪聲，達到很高的抑制比，實現較寬頻域和較高工作頻率的尖峰噪聲平衡抑制探測。
文檔編號G01J11/00GK102998008SQ20121049996
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者梁崇智, 曾和平, 梁焰 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司