CN206804152U - 一种频率可调谐的单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种频率可调谐的单光子探测器，包括单光子信号探测模块，雪崩信号提取模块和雪崩信号处理模块，单光子信号探测模块包括雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的两端反向加载直流电压VA，直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB，幅度为Vg的正弦门控信号通过隔直电容C输入到所述雪崩光电二极管的阴极，Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB，雪崩光电二极管的阳极为单光子信号探测模块的输出端；雪崩信号提取模块为低通滤波器，单光子信号探测模块的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端接入所述雪崩信号处理模块的输入端，本装置结构简单、灵活性好，工作频率具有很好的适应性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤通信领域中的微弱近红外光探测与量子保密通信技术等领域，具体地指一种频率可调谐的单光子探测器。
背景技术
单光子探测在光谱分析、生物发光、精密测量、量子信息等领域有着广泛的应用。当前的单光子探测方案中，雪崩光电二极管APD因为探测效率较高、响应速度快、体积小、成本低而成为最为实用的单光子探测器件。
APD用于单光子探测时，须工作于盖革模式，即APD的反向偏置电压大于其雪崩电压。在盖革模式下，APD吸收单光子后产生的载流子会触发所谓的“自持雪崩”过程，光电流被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的雪崩电信号。由于自持雪崩是一个正向反馈过程，一旦发生就不会自行猝灭。为保护APD，并使其可以连续探测单光子，必须在雪崩发生后及时猝灭雪崩过程。常见的雪崩猝灭的方法有：主动猝灭，被动猝灭和门控模式。主动猝灭和被动猝灭可以探测未知时刻到达的光子，但是这两种方法的猝灭时间较长，因此探测速率通常小于兆赫兹。门控模式可以减少雪崩猝灭的时间，其原理是APD的反向直流偏置电压小于雪崩电压，只有单光子脉冲到达时，才通过一个门控脉冲使APD的偏置电压大于雪崩电压，雪崩过程随着门控脉冲的撤销而迅速猝灭，从而在保证探测效率的前提下，大大提高探测速率并降低暗计数率。
但是在门控模式下，由于APD结电容的存在，门控脉冲通过APD时，脉冲的上升沿和下降沿均会产生幅度较大的尖峰状噪声，叠加在探测器的输出端，而单光子引起的雪崩电信号幅度相对较小。因此，对工作于门控模式的APD，如何有效地抑制噪声以提取微弱的雪崩信号就成为提高探测器性能的关键。目前抑制尖峰状噪声的方法主要有自差分法、正弦波滤波法等。自差分的方法利用不同长度的延迟线构造出相差一个延时周期的两条路径，将APD输出信号分别通过两条路径后差分相消，去除尖峰噪声从而提取雪崩信号；正弦波滤波的方法则利用正弦信号作为门控信号，经过APD结电容产生的尖峰噪声频谱成分仅出现在门频率及其整数倍处，因此引入若干个带阻滤波器即可滤除对应的正弦信号频率及其二、三次谐波频率，从而提取出雪崩信号。这些方法在一定条件下均可抑制尖峰噪声，但也存在不足之处：自差分法的延迟线长度与正弦波滤波法的带阻滤波器中心频率均由门控脉冲的工作频率决定，一旦探测器设计完成，其工作频率就是固定的，灵活性差。
发明内容
本实用新型的目的是为了要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、灵活性好、门控脉冲频率连续可调的频率可调谐的单光子探测器。
本实用新型的技术方案为：一种频率可调谐的单光子探测器，包括单光子信号探测模块1，雪崩信号提取模块2和雪崩信号处理模块3，其特征在于，所述单光子信号探测模块1包括雪崩光电二极管APD，所述雪崩光电二极管的两端反向加载直流电压VA，所述直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB；所述雪崩光电二极管的阴极通过隔直电容C与门控信号输入端1.2相连，所述门控信号输入端1.2输入幅度为Vg的正弦门控信号，所述Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB；所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块1的输出端；所述雪崩信号提取模块2为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述单光子信号探测模块1的输出端相连，所述低通滤波器的输出端接入所述雪崩信号处理模块3的输入端。
优选的，所述雪崩信号处理模块3可包括依次串联的射频放大器和高速比较器。
优选的，所述正弦门控信号的频率可在大于低通滤波器的截止频率的范围内连续可调。
优选的，所述单光子信号探测模块1输出的信号中包括雪崩电信号，所述低通滤波器的截止频率大于所述雪崩电信号的带宽。
本实用新型的工作原理：本实用新型采用工作在正弦门控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提取模块2，所述雪崩光电二极管APD输出的信号中还包含门控噪声，所述雪崩信号提取模块2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3，所述雪崩信号提取模块2利用低通滤波器代替传统的多个级联的带阻滤波器，实现正弦门控信号的频率连续可调，最后所述雪崩信号处理模块3将输入的所述雪崩电信号转换成数字信号输出。
本实用新型的优点在于，
(1)本实用新型采用低通滤波器抑制微分噪声，低通滤波器的截止频率低于正弦门控信号的工作频率，因此对正弦门控信号的频率没有限制，可以在大于低通滤波器截止频率的范围内连续调节，频率调节范围远远超过现有同类单光子探测器，使得单光子探测器的工作频率有很好的适应性。
(2)低通滤波器的截止频率大于所述雪崩电信号的带宽，因此采用低通滤波器直接提取雪崩电信号，可以完整地保持雪崩信号的波形和幅度，探测器的信噪比提高，进而提升单光子探测器的探测效率。
(3)本实用新型装置简单，适用于各种APD，具有高探测速率、高探测效率、低暗计数率以及低成本、结构紧凑等优点，是实现高速单光子探测的理想方案。
附图说明
图1为本实用新型实施例的电路原理图；
图2为本实用新型实施例的单光子信号探测模块1的输出信号示意图。
具体实施方式
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。
图1所示的频率可调谐的单光子探测器，包括单光子信号探测模块1，雪崩信号提取模块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，将直流电压VA反向加载在所述雪崩光电二极管的两端，所述直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB；幅度为Vg的正弦门控信号从门控信号输入端1.2通过隔直电容C输入到所述雪崩光电二极管的阴极，所述Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB；将激光器产生的脉冲光经过衰减作为单光子源，将单光子源耦合至带尾纤的雪崩光电二极管APD。所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块1的输出端。
本实施例所述雪崩光电二极管APD工作在正弦门控模式下，由于APD结电容的存在，结电容耦合产生的噪声会严重影响到单光子信号探测模块1的输出信噪比，干扰雪崩电信号的正确提取。使用正弦门控信号驱动雪崩光电二极管APD时，结电容耦合噪声主要分布在与正弦门控信号同频的基频和高次谐波分量上。因此本实施例中，所述单光子信号探测模块1输出的信号由雪崩电信号和正弦门控噪声信号叠加组成，如图2所示，其中正弦门控噪声信号很强，雪崩电信号强度很弱，且该微弱的雪崩电信号出现在正弦门控噪声信号的过零点处。
所述雪崩信号提取模块2为低通滤波器，所述单光子信号探测模块1的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端接入所述雪崩信号处理模块3的输入端。本实施例中所述单光子信号探测模块1的正弦门控信号的频率在大于低通滤波器的截止频率的范围内连续可调，且所述低通滤波器的截止频率大于所述单光子信号探测模块1输出的雪崩电信号的带宽。所述雪崩信号提取模块2采用低通滤波器可直接滤除正弦门控噪声从而提取出雪崩电信号。
所述雪崩信号处理模块3包括依次串联的射频放大器和高速比较器，所述射频放大器将提取出来的微弱的雪崩电信号进行放大并送入所述高速比较器，所述高速比较器将模拟信号雪崩电信号转化为数字信号输出。
本实施例中，光子信号探测模块1中的雪崩光电二极管采用工作在近红外波段的InGaAs/InP APD，型号为PGA-300；雪崩信号提取模块2中的低通滤波器采用VLFX-850；雪崩信号处理模块3中的射频放大器采用AA320-0S射频小信号放大器，高速比较器采用ADCMP565。本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种频率可调谐的单光子探测器，包括单光子信号探测模块(1)，雪崩信号提取模块(2)和雪崩信号处理模块(3)，其特征在于，所述单光子信号探测模块(1)包括雪崩光电二极管(APD)，所述雪崩光电二极管的两端反向加载直流电压VA，所述直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB；所述雪崩光电二极管的阴极通过隔直电容C与门控信号输入端(1.2)相连，所述门控信号输入端(1.2)输入幅度为Vg的正弦门控信号，所述Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB；所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块(1)的输出端；所述雪崩信号提取模块(2)为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述单光子信号探测模块(1)的输出端相连，所述低通滤波器的输出端接入所述雪崩信号处理模块(3)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种频率可调谐的单光子探测器，其特征在于，所述雪崩信号处理模块(3)包括依次串联的射频放大器和高速比较器。
3.根据权利要求1所述的一种频率可调谐的单光子探测器，其特征在于，所述正弦门控信号的频率在大于低通滤波器的截止频率的范围内连续可调。
4.根据权利要求1所述的一种频率可调谐的单光子探测器，其特征在于，所述单光子信号探测模块(1)输出的信号中包括雪崩电信号，所述低通滤波器的截止频率大于所述雪崩电信号的带宽。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109540303A (zh) * | 2018-11-09 | 2019-03-29 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种二维紫外光子计数成像探测器 |
| CN111678593A (zh) * | 2020-05-21 | 2020-09-18 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 光子计数装置及光子计数方法 |
| CN116045952A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种保偏光纤陀螺及其尖峰去除方法 |
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