一种超低噪声单光子探测器的制作方法

1.本实用新型涉及一种单光子探测器，特别是一种超低噪声的单光子探测器，可用于实现量子密钥分发的长距离传输。


背景技术：

2.目前典型的基于bb84协议的量子密钥分发(qkd)系统，探测器模块使用ingaas 雪崩光电二极管(apd)作为核心探测单元实现单光子探测，其工作于门控模式下，采用基于多级半导体制冷器(tec)的制冷加基于pid算法的温度控制方案实现。
3.现有技术缺点：
4.传统tec制冷采用半导体热电效应的制冷原理，如若需要达到超低制冷目标需要较大功耗。
5.使用现有ingaas单光子探测器的qkd系统，点对点量子通信距离难以超过100 公里。
6.采用超导探测器虽然可以提高传输距离，但超导探测器体积大，结构复杂，不利于日常维护、实用化；且需要液氦制冷，成本较高。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题在于如何提高探测器效率，实现对长距离大衰减下的单光子探测。
8.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种超低噪声单光子探测器，包括apd器件(1)、制冷装置(2)、温度检测模块(3)、雪崩信号提取与控制模块(4)、死时间控制电路(5)、制冷装置控制电压(电流)模块(6)、控制器模块(7) 以及计数输出模块(8)，制冷装置(2)用来给apd器件(1)制冷，雪崩信号提取与控制模块(4)和死时间控制电路(5)均同时连接到apd器件(1)和控制器模块(7)，温度检测模块(3)和制冷装置控制电压电流模块(6)均同时连接到制冷装置(2)和控制器模块(7)，控制器模块(7)连接计数输出模块(8)。
9.作为优化的技术方案，apd器件(1)中的反馈电阻集成到apd的芯片中。
10.作为优化的技术方案，所述制冷装置(2)为斯特林制冷装置。
11.作为优化的技术方案，所述雪崩信号提取与控制模块(4)包括nfad(负反馈雪崩光电二极管)、电阻、电容、第一放大器、甄别器、脉冲展宽电路及第二放大器，nfad 的正极通过电阻接地，nfad的负极接apd器件(1)的输出电压vb，nfad的负极同时通过电容接第一放大器输入端，第一放大器输出端接甄别器的输入端，甄别器的输出端一方面直接连接死时间控制电路，另一方面经过脉冲展宽电路连接到死时间控制电路，死时间控制电路的输出端连接到控制器模块(7)，同时死时间控制电路的输出端连接到第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接到nfad的正极。
12.作为优化的技术方案，apd器件(1)具有偏压控制电路。
13.作为优化的技术方案，所述偏压控制电路包括fpga、dac芯片、偏压芯片、i_v 转换电路以及adc芯片，fpga控制dac芯片再经过偏压芯片实现所需偏压输出，i_v 转换电路、adc芯片依次接在偏压芯片的第一输出端和fpga之间。
14.作为优化的技术方案，所述偏压控制电路还包括低通滤波电路，偏压芯片的第二输出端连接低通滤波电路。
15.本实用新型的优点在于：通过抑制噪声来提高探测效率，能够实现对长距离大衰减下的单光子探测，且体积小，结构简单，易维护、易实用化。具体如下：
16.1、采用可靠稳定温控电路和制冷封装结构联合实现制冷技术，降低热学因素噪声，为apd管提供可靠的低噪声环境。
17.2、采用高精度雪崩抑制、雪崩甄别以及偏压控制技术来降低电学因素噪声，为apd 管提供可靠的低噪声环境。
18.3、采用斯特林制冷方案，实现轻量级探测器设备；体积小，结构简单，易维护、易实用化。
附图说明
19.图1是本实用新型实施例的一种超低噪声单光子探测器的原理框图；
20.图2是本实用新型实施例中的制冷系统功能结构示意图；
21.图3是实施例的apd的寄生参数等效电路；
22.图4是实施例的雪崩抑制电路原理图；
23.图5是实施例的高精度低噪声偏压控制电路原理图。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.qkd能够生成随机数的条件是具有足够高的信噪比(误码率上限17％，实用化系统的误码率应低于5％)，而根据实际光纤衰减，每增加一百公里，传输衰减约增加2个量级，因此要实现远距离大衰减信道上的qkd，关键是在有效信号大量损失的条件下提升信噪比，抑制系统的固有噪声是最行之有效的办法。
26.系统的固有噪声主要来自于apd器件在外围控制驱动电路、制冷封装联合调控下存在的噪声，这是一个由多种热、电机制共同作用的复杂过程；另外雪崩信号比较微弱，在微弱雪崩信号提取过程中也可能由于电路整体寄生参数的影响导致提取误差而形成噪声。
27.参阅图1所示，本实用新型一种超低噪声单光子探测器包括apd器件1、制冷装置 2、温度检测模块3、雪崩信号提取与控制模块4、死时间控制电路5、制冷装置控制电压(电流)模块6、控制器模块7以及计数输出模块8。制冷装置2用来给apd器件1 制冷，雪崩信号提取与控制模块4和死时间控制电路5均同时连接到apd器件1和控制器模块7，温度检测模块3和制冷装置控制电压(电流)模块6均同时连接到制冷装置2和控制器模块7，控制器模块7连
接计数输出模块8。
28.为实现超低噪声探测，超低噪声单光子探测器中的控制器模块7通过控制雪崩信号提取与控制模块4，实现雪崩抑制、雪崩提取技术来降低电学因素噪声；控制器模块7 通过控制制冷装置控制电压(电流)模块6，实现可靠稳定的超低温制冷系统和高精度控制系统来降低热学因素噪声；另外，apd器件1中通过采用集成反馈电阻到apd的芯片中的方案，降低电路整体寄生参数的噪声影响；通过上述方案提升关键性能指标进而实现一种超低噪声单光子探测器。该单光子探测器应用在qkd系统中，可以提高量子密钥分发的通信传输距离。下面对上述方案进行详细描述。
29.一、apd噪声控制技术
30.1、超低温温度控制
31.盖革模式下的apd器件1处于极易被触发的状态，但也容易形成噪声，为了使apd 器件1工作在低噪声模式，需要给apd器件1提供约150k～183k温度环境。同时为了保证单光子探测器的体积小且利于集成，因而排除超导探测器方案，因为超导单光子探测器需要液氦制冷，体积大、维护难。在tec制冷和斯特林制冷方案中，考虑到多级tec器件的低效率难以在相等制冷功耗下实现150k以下的制冷目标，无法为apd 器件1提供低噪声环境，因此本方案中的制冷装置2为斯特林制冷装置。同时，考虑 apd器件1的特性，结合温控电路实现超低温温度控制，温控电路结构示意如图2所示，温度检测模块3连接到制冷装置2和控制器模块7，制冷装置控制电压(电流)模块6 同时连接控制器模块7和制冷装置2，温度检测模块3检测制冷装置的当前温度，送到控制器模块7中的pid算法单元，pid算法单元将当前温度与设定好的目标温度相比较，输出误差电压至制冷装置控制电压(电流)模块6，控制制冷装置2调整当前温度，如此循环控制，保证apd器件1的超低温温度控制。
32.该方案通过采用可靠稳定温控电路和制冷封装结构联合实现制冷技术，降低热学因素噪声，为apd器件1提供可靠的低噪声环境。
33.采用斯特林制冷方案，实现轻量级探测器设备；体积小，结构简单，易维护、易实用化。
34.2、apd淬灭电路
35.apd器件1的外围电路的寄生参数同样会导致探测器噪声的增加；特别是反馈淬灭电路的寄生电容会导致偏压不能快速的下降，导致雪崩时间加长，导致apd器件1的后脉冲和暗计数增加。
36.如图3所示，电容cd和电阻rd并联构成apd等效电路结构，寄生电容c
l
和反馈电阻r
l
并联构成负反馈等效电路，寄生电容c
l
会导致反馈电阻r
l
两端电压充放电的时间加长，导致雪崩时间延长；因此，为了有效解决该问题，本方案采用把反馈电阻 r
l
集成到芯片中的apd，有效的减小了apd器件1的寄生参数导致的探测器噪声，反馈电阻r
l
集成到芯片中的apd是一种成熟的技术。
37.二、电路噪声控制技术
38.1、雪崩抑制技术
39.当apd器件1的工作电压逐渐逼近雪崩电压时，理论上雪崩因子m将趋近无穷大；实际上，当工作电压小于雪崩值时，m到达1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即工作电压高于雪崩击穿电压时，m才能大到捕捉单光子。在盖革模式下，噪声也变得很大，因此必须降
低工作温度以减少噪声。另外，还必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩继续下去，探测器无法接收下一个光子。因此，尽量缩短雪崩的时间，才能提高光子的探测效率。在m很大时，只要p-n结里存在一个电子-空穴对，雪崩就会继续存在。通过雪崩抑制电路，降低通过p-n结的电流使得雪崩产生的载流子减少，从而抑制后脉冲效应。所述雪崩信号提取与控制模块4与死时间控制电路5共同组成雪崩抑制电路，完成雪崩信号的抑制，雪崩抑制电路的原理框图如图4所示，雪崩信号提取与控制模块4包括其中的nfad、电阻、电容、第一放大器、甄别器、脉冲展宽电路及第二放大器，nfad的正极通过电阻接地，nfad的负极接apd器件1输出的电压vb， nfad的负极同时通过电容接第一放大器输入端，第一放大器输出端接甄别器的输入端，甄别器的输出端一方面直接连接死时间控制电路5，另一方面经过脉冲展宽电路连接到死时间控制电路，死时间控制电路的输出端作为雪崩抑制电路的输出端连接到控制器模块7，同时死时间控制电路的输出端连接到第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接到nfad的正极。
40.2、雪崩甄别技术
41.雪崩形成的脉冲电压信号非常微弱，无法直接通过甄别电路来实现雪崩信号的甄别，需要对雪崩信号进行放大后，再执行雪崩信号的提取与甄别。脉冲电压信号通过高速比较器进行甄别提取，然后经过放大、增益控制等信号调理过程，输出窄脉冲信号，此时脉冲信号宽度在几个ns，控制器模块7无法直接识别，需要对甄别后的脉冲信号进行脉冲宽度展宽处理，输出脉冲宽度固定的标准ttl信号(探测计数信号)到控制器模块7中的控制采样用于计数产生，即当产生一个探测计数输出给计数输出模块8，死时间控制电路5在检测到计数信号后，作用控制器模块7，经过固定的时间延时后，输出死时间控制电压，该电压在驱动放大后，加载到apd器件1上，使apd器件1退出盖革模式，从而降低后脉冲概率。
42.3、高精度低噪声偏压控制技术
43.apd器件1的反向偏置电压，实现偏压范围可调；采用apd偏压专用芯片，不但可以产生目标范围内偏压，还可以检测偏压信号的实时电流，该电流信号的大小反映 apd实际工作电流的大小，对该电流进行阈值判断，可检测出apd是否接收到强光信号。高精度低噪声偏压控制电路实现如图5所示，低噪声偏压控制电路包括fpga、dac 芯片、偏压芯片、i_v转换电路、adc芯片以及低通滤波电路，fpga控制dac芯片再经过偏压芯片实现所需偏压输出，i_v转换电路、adc芯片依次接在偏压芯片的第一输出端和fpga之间。偏压芯片的第二输出端连接低通滤波电路，输出电压vb进入低通滤波电路。
44.以fpga为核心器件的控制模块，通过控制dac芯片输出电压来调整偏压芯片最终实现目标范围内偏压调整。同时，通过监控i_v转换电路实现fpga对偏压芯片的实时监控。此外，电路中增加低通滤波电路来降低电源噪声影响。
45.该方案采用高精度雪崩抑制、雪崩甄别以及高精度低噪声偏压技术来降低电学因素噪声，为apd管提供可靠的低噪声环境。
46.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。