具有高计数率的可见光及近红外光短波段单光子探测器

1.本实用新型属于可见光和近红外光短波段探测与量子探测技术领域，具体涉及一种具有高计数率的可见光及近红外光短波段单光子探测器。


背景技术：

2.单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平还要低，因此需要特殊的仪器和检测手段。在微弱信号探测领域中，单光子探测技术在精密光学测量、超灵敏光谱分析、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、生物医学、量子秘钥分发系统等领域有着广泛的作用。已用来做单光子探测的器件有：光电倍增管（pmt）、雪崩光电二极管（apd）、真空雪崩光电二极管（vapd）和增强光电二极管（ipd），超导单光子探测器（sspd）和超导转换边缘传感器（tes）等。其中，雪崩光电二极管apd因为探测效率较高、响应速度快、体积小、成本低，从而成为最为实用的单光子探测器件。
3.现在对si的研究已经趋于成熟，si-apd已经拥有了较为完善的制造工艺。在单光子探测中，硅光电雪崩二极管（si-apd）工作在盖革模式（即工作电压高于雪崩电压的情况）下，此时si-apd两端的偏压将大于其雪崩电压。当有光子信号到达apd时，被apd吸收，并使apd迅速雪崩，此时主动抑制电路进行反馈控制，使雪崩发生后迅速被切断，并使apd恢复到接收光子的状态，在保证探测效率的前提下，大大提高探测器效率并降低暗计数率。在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套装置的测量精度，现有的单光子探测器的时间抖动一般都比较大，难以满足测距要求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种具有高计数率的可见光及近红外光短波段单光子探测器，可以探测携带量子信息的光信号，将其转换为电信号，并通过信号甄别技术放大识别波段，降低信噪比，从而更加清晰直观地以数字化的形式来传递量子信息。
5.本实用新型采用的技术方案是：一种具有高计数率的可见光及近红外光短波段单光子探测器，包括单光子信号探测模块和雪崩信号处理模块；所述单光子信号探测模块的输出端与所述雪崩信号处理模块的输入端电连接；所述单光子信号探测模块包括工作在盖革模式下的雪崩光电二极管和温控模块；所述温控模块与雪崩光电二极管电连接；所述雪崩光电二极管的阳极作为单光子信号探测模块的输出端；所述雪崩信号处理模块包括衰减电路、延时电路、加法运算器和过零甄别器；雪崩信号处理模块的输入端分别为衰减电路、延时电路的输入端；衰减电路的输出端与加法运算器的同相输入端电连接；延时电路的输出端与加法运算器的反相输入端电连接；加法运算器的输出端与过零甄别器的输入端电连接；过零甄别器的输出端作为雪崩信号处理模块的输出端输出数字信号。
6.上述技术方案中，还包括雪崩信号降噪模块；所述单光子信号探测模块的输出端
与雪崩信号降噪模块的输入端电连接；雪崩信号降噪模块的输出端与雪崩信号处理模块的输入端电连接。
7.上述技术方案中，所述包括雪崩信号降噪模块包括依次串联的带阻滤波器和低噪声射频小信号放大器；雪崩信号降噪模块的输入信号经带阻滤波器和低噪声射频小信号放大器输出。
8.上述技术方案中，还包括雪崩信号降噪模块；所述雪崩信号降噪模块设置有两根等长的同轴电缆，两根等长的同轴电缆分别连接于雪崩光电二极管的阳极和阴极；其中一端连接于雪崩光电二极管阳极的同轴电缆的另一端短路，一端连接于雪崩光电二极管阴极的同轴电缆的另一端开路。
9.上述技术方案中，单光子信号探测模块还包括雪崩淬灭—复位控制电路模块和偏置电源；偏置电源经电阻r1与雪崩光电二极管的阴极电连接；雪崩光电二极管的阳极经电阻ri和电阻rs接地；雪崩淬灭—复位控制电路模块包括控制电路和反馈电路；其中反馈电路的输入端并联于电阻ri的两端；反馈电路的输出端与控制电路的输入端电连接；控制电路的输出端与雪崩光电二极管的阳极电连接；控制电路用于在反馈电路输入端检测到电压后向雪崩光电二极管的阳极在设定时间内持续施加电压，使雪崩光电二极管的阳极在设定时间内退出盖革模式后恢复盖革模式。
10.上述技术方案中，所述雪崩信号降噪模块包括依次串联的中心频率为fg的带阻滤波器、低噪声射频小信号放大器、中心频率为2fg的带阻滤波器和中心频率为3fg的带阻滤波器，其中fg表示频率值。
11.本实用新型的工作原理：本实用新型采用盖革模式下的雪崩光电二极管apd将单光子信号转换为雪崩电信号输出给雪崩信号降噪模块。所述雪崩光电二极管apd输出的信号中还包含门控噪声，所述雪崩信号降噪模块将所述雪崩电信号从门控噪声中提取出来后输出给雪崩信号处理模块。所述雪崩信号处理模块的信号甄别电路将雪崩电信号分成两路信号，一路信号传入衰减电路，另一路信号传入延时电路，两路信号分别经过加法运算器同相、反相输入端后输出，共同进入过零甄别器，最终将雪崩信号转换成数字信号输出。
12.本实用新型的优点效果：雪崩信号处理模块的信号甄别电路确定甄别定时点，当定时点在延时信号斜率最大点时，精度最高，最终将雪崩信号转换成数字信号输出。该技术与传统比较器相比，可以大大降低时间抖动，进一步提高光信号的计数率。本实用新型简单可靠，在提高计数率的同时不影响系统的探测效率、暗计数率等性能，可操作性较高。
附图说明
13.图1为本实用新型实施例的系统框图；
14.图2为本实用新型实施例一的电路原理图；
15.图3为本实用新型实施例二的电路原理图；
16.图4为采用传统比较器的雪崩信号处理模块的信号处理示意图；
17.图5为信号甄别器确定定时点的工作原理图；
18.图6 为本实用新型实施例的雪崩信号处理模块的信号处理示意图。
19.其中，1-单光子信号探测模块，2-雪崩信号降噪模块，3-雪崩信号处理模块，4-第一同轴电缆，5-第二同轴电缆，6-衰减电路，7-延时电路，8-加法运算，9-过零甄别器。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。
21.如图1所示，本实用新型提供了一种具有高计数率的可见光及近红外光短波段单光子探测器，包括单光子信号探测模块1，雪崩信号降噪模块2和雪崩信号处理模块3。所述单光子信号探测模块1用于将单光子信号转换为雪崩电信号。所述单光子信号探测模块1包括雪崩光电二极管apd、雪崩淬灭—复位控制电路模块、温控模块；所述温控模块用于保持雪崩光电二极管apd处于稳定的工作状态。偏置电源va经电阻r1与雪崩光电二极管的阴极电连接；雪崩光电二极管apd的阳极经电阻ri和电阻rs接地；雪崩光电二极管的阳极作为单光子信号探测模块的输出端；雪崩淬灭—复位控制电路模块包括控制电路和反馈电路；其中反馈电路的输入端并联于电阻ri的两端；反馈电路的输出端与控制电路的输入端电连接；控制电路的输出端与雪崩光电二极管的阳极电连接；控制电路用于在反馈电路输入端检测到电压后向雪崩光电二极管的阳极在设定时间内持续施加电压，使雪崩光电二极管的阳极在设定时间内退出盖革模式后恢复盖革模式。在所述雪崩淬灭—复位控制电路模块，采取了反馈抑制模式，雪崩光电二极管apd在盖革模式下检测到光子，发生雪崩，流经电阻ri的电流增大，反馈电路检测到电阻ri两端的电压后反馈至控制电路。控制电路给雪崩光电二极管apd阳极施加一个电压使雪崩光电二极管apd上的反向电压减小，从而退出盖革模式。控制电路延时一段时间后撤去施加的电压，使得雪崩光电二极管apd恢复盖革模式，可以进行下一次光子的探测，从而提高雪崩光电二极管apd探测效率高，由此该装置能自动地进行模式的切换，实现单光子的连续探测。所述单光子信号探测模块1采用si单光子探测器，实现可见光及近红外光短波段的探测。
22.本实施例一中的所述雪崩信号降噪模块2用于将所述雪崩信号从噪声中提取出来，所述图2雪崩信号降噪模块2输入端与所述单光子信号探测模块1的输出端电连接，雪崩信号降噪模块2输出端与雪崩信号处理模块3的输入端电连接。所述雪崩信号降噪模块2设置有两根等长的同轴电缆，两根等长的第一同轴电缆和第二同轴电缆分别连接于雪崩光电二极管的阳极和阴极；其中一端连接于雪崩光电二极管阳极的第二同轴电缆5的另一端短路，一端连接于雪崩光电二极管阴极的第一同轴电缆4的另一端开路，如图2所示，所述雪崩信号降噪模块2利用两根同轴电缆线反射信号的方法来消除尖峰噪声。
23.本实施例二中的所述雪崩信号降噪模块2用于将所述雪崩信号从噪声中提取出来，所述图3雪崩信号降噪模块2输入端与所述单光子探测模块1的输出端相连。所述图3雪崩信号降噪模块2可由中心频率分别为fg、2fg、3fg的带阻滤波器10、11、12和低噪声射频小信号放大器13相互串联组成，如图3所示，其中，带阻滤波器10、11、12和低噪声射频小信号放大器13的位置可以任意互换。单光子信号探测模块1的输出端信号经带阻滤波器10、11、12和低噪声射频小信号放大器13处理后进入雪崩信号处理模块3。
24.雪崩信号处理模块3用于将所述雪崩模拟信号转换成数字信号输出，所述雪崩信号处理模块3的输入端与雪崩信号降噪模块2的输出端相连。
25.传统的技术方案中雪崩信号处理模块3为比较器，所述比较器引入的时间抖动
△
t1如图4所示。
26.本实施例的雪崩信号处理模块3采用信号甄别电路，如图2、3所示。所述信号甄别
电路将雪崩信号分成两路信号，一部分传入延时电路7，另一部分传入衰减电路6。输入信号如图6中的曲线6.1所示，经过延时后的信号如图6中的曲线6.2所示，经过反相的信号如图6中的曲线6.3所示，两路信号经过上述处理后分别进入加法运算器8同相、反相输入端，从所述加法运算器8输出端的输出信号如图6中曲线6.4所示，所述输出信号进入过零甄别器9，雪崩信号幅度发生变化时，过零时刻鉴别点不发生改变，如图5所示，输出的数字信号的时间抖动δt2由所述信号甄别电路的时刻鉴别点决定，如图曲线6.4所示，时间抖动δt2趋近于0。过零甄别器9的输入信号以高增益放大至信号甄别器的最佳输入范围，经过信号甄别器9确定时刻鉴别点，其输出的数字信号的时间抖动δt2远小于传统的比较器输出的数字信号的时间抖动δt1。
27.单光子探测器在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用。本实用新型通过降低时间抖动可有效地提高光子的探测效率，达到具有高计数率的单光子探测器，使得测量精度大幅提高。
28.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。