CN104990632A - 一种门控差分单光子探测*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，公开了一种门控差分单光子探测***，包括：第一门电路、第一偏置电路、APD、第一放大器、第二门电路、第二偏置电路、可调电容、移相器、第二放大器、减法器、低噪声放大器以及雪崩鉴别电路；第一门电路与APD相连；第一偏置电路与APD相连；第一放大器与APD相连；第二门电路与可调电容相连；第二偏置电路与可调电容相连；移相器与可调电容相连；第二放大器与移相器相连；减法电路分别与第一放大器和第二放大器相连；低噪声放大器的输入端与减法器相连，输出端与雪崩鉴别电路相连；放大差分信号并进行雪崩信号提取，输出雪崩脉冲信号。本发明通过门控反馈控制机制，大大降低了尖峰噪声和后脉冲效应，提升探测频率。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种门控差分单光子探测***。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)由于探测效率高、结构精巧、高可靠性以及低能耗等优点在单光子探测中得到广泛应用，包括：光纤传感(fiber opticsensing)、光纤通信(fiber optic communication)、量子秘钥分配(QKD)、半导体器件特性分析、激光雷达(LIDAR)以及生物成像等领域。
单光子探测器中的APD工作在盖革模式(APD的工作电压高于雪崩电压)中，性能受到较高的后脉冲效应的影响。后脉冲效应是指一次雪崩信号产生后，由于倍增区含有缺陷，当雪崩电流经过时，这些缺陷会有一定概率俘获雪崩载流子，当APD再次工作在盖革模式，这些缺陷会将俘获的载流子释放而形成电流，造成伪计数。后脉冲把门控频率限制在几百千赫兹，从而限制了计数率，从而限制了单光子探测频率。
常见的方法为电容平衡技术；通过减小雪崩过程中的总电流有效地抑制了后脉冲，然而，该技术需要使用两支性能相似的APD，但是只有一支APD能正常探测光子，所以成本过于昂贵，另外采用固定电容，电容与APD的结电容特性相差较大，不能够有效的抑制噪声。没有完全的滤除尖峰噪声，降低后脉冲的效果也有限。
发明内容
本发明提供一种门控差分单光子探测***，解决现有技术中，探测***噪声突出，后脉冲效应显著的技术问题，达到了降低尖峰噪声，削弱后脉冲效应，大大提升工作频率的技术效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种门控差分单光子探测***，包括：第一门电路、第一直流电压偏置电路、雪崩光电二极管、第一放大器、第二门电路、第二直流电压偏置电路、可调电容、移相器、第二放大器、减法器、低噪声放大器以及雪崩鉴别电路；
所述第一门电路与所述雪崩光电二极管相连，调节所述雪崩光电二极管两端的交流过电压；所述第一直流电压偏置电路与所述雪崩光电二极管相连，提供两端的直流偏压；所述第一放大器与所述雪崩光电二极管相连，放大输出信号；
所述第二门电路与所述可调电容相连，调节所述可调电容两端的交流过电压；所述第二直流电压偏置电路与所述可调电容相连，提供可调电容两端的直流偏压；所述移相器与所述可调电容相连，调整可调电容的输出信号相位，使所述可调电容与所述雪崩光电二极管的输出信号相位同步；所述第二放大器与所述移相器相连，放大输出信号；
所述减法电路分别与所述第一放大器和所述第二放大器相连，对所述雪崩光电二极管输出信号和可调电容输出信号进行相减处理后，输出相减后的差分信号；
所述低噪声放大器的输入端与所述减法器相连，输出端与所述雪崩鉴别电路相连；放大所述差分信号并进行雪崩信号提取，输出雪崩脉冲信号。
进一步地，所述雪崩鉴别电路输出端分别与所述第一门电路、所述第二门电路以及所述移相器相连，所述雪崩脉冲信号反馈调节所述第一门电路、所述第二门电路电压，以及所述移相器的反向偏压。
进一步地，所述第一放大器和所述第二放大器采用跨阻放大器。
进一步地，所述门控差分单光子探测***还包括：脉冲整形电路；所述脉冲整形电路与所述雪崩鉴别电路相连，将雪崩脉冲信号进行整形输出。
进一步地，所述脉冲整形电路为JK触发器，将所述雪崩脉冲信号整形成ECL电平信号。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用可调电容与雪崩光电二极管搭建匹配电路，构成差分电路；同时使两者结电容特性达到一致，匹配最佳结电容；通过减法器，消除两路信号中的尖峰噪声信号，提取真正的血本信号，大大降低了尖峰噪声，削弱了后脉冲效应的影响，从而提高了***的灵敏度和探测效率。
2、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用两路门控电路调整偏压，实现动态的偏压操作，避免晶格缺陷造成的后脉冲效应和暗计数，实现高工作频率的单光子探测。
3、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用反馈调节机制对电容平衡的信号进行处理，雪崩输出信号反馈调节雪崩光电二极管和可调电容两端的门控电压，动态调整雪崩光电二极管输出信号和可调电容输出信号，使得APD与可调电容输出的尖峰脉冲幅值相等，通过减法器，彻底地消除尖峰噪声，使输出信号能够有效地滤除电容响应，提取雪崩信号，有效的降低了后脉冲，提高了***灵敏度和探测效率，并使探测器的工作频率显著提高，可达到200MHz。
4、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用移相器调整可调电容的输出信号的相位，匹配雪崩光电二极管的输出信号的相位，使两者同步，从而使得减法器能够有效的滤除门控信号带来的尖峰噪声，同时减小共模噪声。
5、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用跨阻放大器能够有效的抑制噪声信号，从而实现低噪声提取并放大雪崩信号的目的，从而获得更高的雪崩信号电压，降低雪崩鉴别电路的匹配难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的门控差分单光子探测***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的雪崩鉴别电路示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种门控差分单光子探测***，包括：第一门电路、第一直流电压偏置电路、雪崩光电二极管、第一放大器、第二门电路、第二直流电压偏置电路、可调电容、移相器、第二放大器、减法器、低噪声放大器以及雪崩鉴别电路；
所述第一门电路与所述雪崩光电二极管相连，调节所述雪崩光电二极管两端的交流过电压；所述第一直流电压偏置电路与所述雪崩光电二极管相连，提供两端的直流偏压；所述第一放大器与所述雪崩光电二极管相连，放大输出信号；
所述第二门电路与所述可调电容相连，调节所述可调电容两端的交流过电压；所述第二直流电压偏置电路与所述可调电容相连，提供可调电容两端的直流偏压；所述移相器与所述可调电容相连，调整可调电容的输出信号相位，使所述可调电容与所述雪崩光电二极管的输出信号相位同步；所述第二放大器与所述移相器相连，放大输出信号；
所述减法电路分别与所述第一放大器和所述第二放大器相连，对所述雪崩光电二极管输出信号和可调电容输出信号进行相减处理后，输出相减后的差分信号；
所述低噪声放大器的输入端与所述减法器相连，输出端与所述雪崩鉴别电路相连；放大所述差分信号并进行雪崩信号提取，输出雪崩脉冲信号。
第一放大器和所述第二放大器采用跨阻放大器。
本实施例提供的门电路为一种脉冲信号发生器；进一步地，根据实际需要，门信号选择很多，可以是脉冲信号，正弦信号或者方波信号，频率与***工作频率相关。
雪崩鉴别电路的实质原理是将待检信号与阈值信号进行比较，输出逻辑电平信号；可采用经典比较电路。
参见图2，本实施例提供一种具体的雪崩信号鉴别电路，即使用芯片MAX9600就是比较器芯片，9号引脚给定雪崩阈值电压VT,1号引脚为输入信号接口，连接低噪声放大器的输出端，10号引脚为输出端口；通过VT与输入信号比较，雪崩信号在10号引脚输出高电平或者低电平。
下面介绍本***的操作过程。
APD工作在门控模式下，当有光子入射时，APD两端偏压高于雪崩击穿电压，即会发生雪崩响应。
第一门电路通过改变幅值大小来调节APD两端的交流过电压；第一直流电压偏置电路提供APD两端的直流偏压；第一和第二跨阻分别放大APD和可调电容的输出信号，并有效地抑制噪声信号，可获得更高的雪崩脉冲电压，降低了雪崩鉴别电路难度；第二门电路通过改变幅值大小来调节可调电容两端的交流过电压；第二直流电压偏置电路提供可调电容两端的直流偏压；移相器可以实时监控可调电容响应输出信号，动态调整使可调电容的输出信号相位，使APD和可调电容的输出信号相位同步。
减法电路对APD输出信号和可调电容输出信号进行相减处理后，输出相减后的差分信号给低噪声放大器放大差分信号；雪崩鉴别电路，采用雪崩鉴别器，对放大后的差分信号进行处理后，输出雪崩脉冲信号。
本发明采用可调电容作为APD的电容平衡器件，可以通过调节可调电容来模拟APD的结电容特性，性能相比较现有平衡方案更能接近双APD平衡法的性能，而且成本低廉。
雪崩鉴别电路输出端分别与所述第一门电路、所述第二门电路以及所述移相器相连，所述雪崩脉冲信号反馈调节所述第一门电路、所述第二门电路电压，以及所述移相器的反向偏压。
雪崩脉冲信号反馈调节第一门电路、第二门电路以及移相器，使得APD和可调电容的输出信号幅值相等，相位同步，实现尖峰噪声消除，减小共模噪声。
雪崩鉴别电路输出信号通过负反馈调节的方式，可通过运放与门电路相连接，电压反馈的方式调节；采用LH(left-handed)型移相器的相移与自身的反向偏压成正比，通过雪崩电压反馈调节移相器的反向偏压来调节相移，使差分电路两路信号相位同步。
门控差分单光子探测***还包括：脉冲整形电路；脉冲整形电路与雪崩鉴别电路相连，将雪崩脉冲信号进行整形输出。
脉冲整形电路为JK触发器，将雪崩脉冲信号整形成ECL电平信号；可供后续数字电路处理。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用可调电容与雪崩光电二极管搭建匹配电路，构成差分电路；同时使两者结电容特性达到一致，匹配最佳结电容；通过减法器，消除两路信号中的尖峰噪声信号，提取真正的血本信号，大大降低了尖峰噪声，削弱了后脉冲效应的影响，从而提高了***的灵敏度和探测效率。
2、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用两路门控电路调整偏压，实现动态的偏压操作，避免晶格缺陷造成的后脉冲效应和暗计数，实现高工作频率的单光子探测。
3、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用反馈调节机制对电容平衡的信号进行处理，雪崩输出信号反馈调节雪崩光电二极管和可调电容两端的门控电压，动态调整雪崩光电二极管输出信号和可调电容输出信号，使得APD与可调电容输出的尖峰脉冲幅值相等，通过减法器，彻底地消除尖峰噪声，使输出信号能够有效地滤除电容响应，提取雪崩信号，有效的降低了后脉冲，提高了***灵敏度和探测效率，并使探测器的工作频率显著提高，可达到200MHz。
4、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用移相器调整可调电容的输出信号的相位，匹配雪崩光电二极管的输出信号的相位，使两者同步，从而使得减法器能够有效的滤除门控信号带来的尖峰噪声，同时减小共模噪声。
5、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，采用跨阻放大器能够有效的抑制噪声信号，从而实现低噪声提取并放大雪崩信号的目的，从而获得更高的雪崩信号电压，降低雪崩鉴别电路的匹配难度。
6、本申请实施例中提供的门控差分单光子探测***，具有高探测效率、低暗计数、低后脉冲概率以及成本低、结构简单等特点，是实现高工作频率单光子探测的理想方案。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种门控差分单光子探测***，其特征在于，包括：第一门电路、第一直流电压偏置电路、雪崩光电二极管、第一放大器、第二门电路、第二直流电压偏置电路、可调电容、移相器、第二放大器、减法器、低噪声放大器以及雪崩鉴别电路；
所述第一门电路与所述雪崩光电二极管相连，调节所述雪崩光电二极管两端的交流过电压；所述第一直流电压偏置电路与所述雪崩光电二极管相连，提供两端的直流偏压；所述第一放大器与所述雪崩光电二极管相连，放大输出信号；
所述第二门电路与所述可调电容相连，调节所述可调电容两端的交流过电压；所述第二直流电压偏置电路与所述可调电容相连，提供可调电容两端的直流偏压；所述移相器与所述可调电容相连，调整可调电容的输出信号相位，使所述可调电容与所述雪崩光电二极管的输出信号相位同步；所述第二放大器与所述移相器相连，放大输出信号；
所述减法电路分别与所述第一放大器和所述第二放大器相连，对所述雪崩光电二极管输出信号和可调电容输出信号进行相减处理后，输出相减后的差分信号；
所述低噪声放大器的输入端与所述减法器相连，输出端与所述雪崩鉴别电路相连；放大所述差分信号并进行雪崩信号提取，输出雪崩脉冲信号。
2.如权利要求1所述的门控差分单光子探测***，其特征在于：所述雪崩鉴别电路输出端分别与所述第一门电路、所述第二门电路以及所述移相器相连，所述雪崩脉冲信号反馈调节所述第一门电路、所述第二门电路电压，以及所述移相器的反向偏压。
3.如权利要求2所述的门控差分单光子探测***，其特征在于：所述第一放大器和所述第二放大器采用跨阻放大器。
4.如权利要求3所述的门控差分单光子探测***，其特征在于，还包括：脉冲整形电路；所述脉冲整形电路与所述雪崩鉴别电路相连，将雪崩脉冲信号进行整形输出。
5.如权利要求4所述的门控差分单光子探测***，其特征在于：所述脉冲整形电路为JK触发器，将所述雪崩脉冲信号整形成ECL电平信号。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20190301 |