CN214893711U - 高速正弦门控单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的高速正弦门控单光子探测器，涉及雪崩脉冲电信号探测技术领域，包括探测电路和参考电路，其中，探测电路用于根据第一门控脉冲信号，探测入射光中的单光子信号，参考电路用于根据第二门控脉冲信号，产生差分参考信号。参考电路还用于根据差分参考信号，消除探测电路产生的噪声信号及载波，使得单光子探测器能够从探测电路产生的噪声信号中提取雪崩脉冲电信号，探测电路与参考电路为并联关系，能够有效保证信号完整性，提高了信噪比。

Description

高速正弦门控单光子探测器

技术领域

本实用新型涉及雪崩脉冲电信号探测技术领域，具体涉及一种高速正弦门控单光子探测器。

背景技术

在量子通信***中，高速正弦门控单光子探测器是重要的模块，其性能直接影响量子通信***的错误率、成码率等核心性能。高速正弦门控单光子探测器的探测方式可以分为门控模式及自由运行模式，但是目前由于自由运行模式的高速正弦门控单光子探测器发展不成熟，淬灭时间及恢复时间较长，最大计数率受限，所以，通常将自由运行模式的高速正弦门控单光子探测器运用在激光雷达等光子到达时间不可控的领域。

基于雪崩二极管的高速正弦门控单光子探测器，体积小功耗低，是目前最实用的近红外高速正弦门控单光子探测器。高速正弦门控单光子探测器通常工作在盖革门模式下，可以大大改善探测性能。光子触发的雪崩脉冲电信号十分微弱，并且雪崩二极管具有容性效应，门脉冲加载在雪崩二极管上会通过充放电而产生尖峰脉冲，因此提高单光子探测性能的关键技术是如何从尖峰噪声中有效地提取微弱的雪崩脉冲电信号。

门控模式的高速正弦门控单光子探测器可以有效提高最大计数率，性能较好。所以目前主流的量子通信领域使用的高速正弦门控单光子探测器多为门控模式。门控模式的高速正弦门控单光子探测器一般又分为方波门控模式的高速正弦门控单光子探测器及正弦门控模式的高速正弦门控单光子探测器。

正弦门控模式的高速正弦门控单光子探测器提取雪崩脉冲电信号的过程为：将正弦门控脉冲信号加载到雪崩二极管，正弦门控脉冲信号与雪崩脉冲电信号同时输出，再通过滤波的方式将载波滤除，得到雪崩脉冲电信号。由于采用滤波方式得到的雪崩脉冲电信号发生畸变，雪崩脉冲电信号时间抖动大，难以保证信号完整性，噪声抑制的难度相对较大，信噪比不高。

部分方波门控模式的高速正弦门控单光子探测器采用差分方式提取雪崩脉冲电信号，该方式存在的缺陷为：没有两个完全一样的容性器件，门控脉冲信号的频谱复杂，产生的噪声尖峰信号区别较大，底噪声很难去除。自差分方式需要控制两路方波门控脉冲信号的时间间隔精确为一个脉冲周期，由于时间间隔较长，一般情况下，方波门控模式的高速正弦门控单光子探测器的一臂使用较长的电缆线，控制长度的难度较大，不能精确控制衰减，导致信号完整性也难以保证，提取到的雪崩脉冲电信号的信噪比不高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种高速正弦门控单光子探测器，用以解决现有技术存在的信号完整性难以保证、信噪比不高的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器涉及的技术方案包括：

探测电路，用于根据第一门控脉冲信号，探测入射光中的单光子信号。

参考电路，用于根据第二门控脉冲信号，产生差分参考信号。

所述参考电路，还用于根据所述差分参考信号，消除所述探测电路产生的噪声信号及载波，使得本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器能够从所述噪声信号中提取雪崩脉冲电信号。

所述探测电路与所述参考电路为并联关系。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述探测电路包括雪崩二极管D1和电阻R1。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述参考电路包括可调衰减器、移相器、雪崩二极管D2和电阻R2。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述探测电路的寄生参数与所述参考电路的寄生参数一致。

作为本实用新型一个优选的实施方式，该高速正弦门控单光子探测器还包括门控脉冲信号发生器、耦合器、功分器、电容、低噪声放大器和比较器。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述第一门控脉冲信号与所述第二门控脉冲信号均为正弦门控脉冲信号。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述移相器，用于调节所述第二门控脉冲信号的相位，使得所述第一门控脉冲信号与所述第二门控脉冲信号之间的相位差为180°。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述可调衰减器，用调节所述第二门控脉冲信号的幅度，使得所述第一门控脉冲信号与所述第一门控脉冲信号的幅度相同。

本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器具有以下有益效果：

（1）使用正弦门控差分方式消除正弦信号载波，避免因滤波带来的信号完整性难以保证的问题，能够提高信噪比；

（2）相比于方波门控差分方式，正弦门控差分方式易实现高速且差分时频谱单一，易控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的采用双雪崩二极管平衡法的高速正弦门控单光子探测器内部电路示意图。

图2为本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器内部电路示意图。

具体实施方式

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中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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做出创造性劳动的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。

如图1所示，该高速正弦门控单光子探测器采用双雪崩光电二极管平衡法，选用两个电容特性几乎一致的雪崩光电二极管，其中，雪崩光电二极管APD1用来探测光子，另一个雪崩光电二极管APD2用来模拟产生尖峰噪声信号。相位相反的门脉冲信号，在雪崩光电二极管APD1、雪崩光电二极管APD2上产生相位相反、形状一致的尖峰噪声信号，最终，在输出端两路尖峰噪声信号相加，可除去尖峰噪声提取雪崩脉冲电信号。该方案存在的缺陷为：由于方波门控脉冲信号的频谱复杂，不易控制，产生的噪声尖峰信号之间区别较大，底噪声很难去除，导致提取到的雪崩脉冲电信号的信噪比不高。

如图2所示，本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器包括探测电路、参考电路、门控脉冲信号发生器、耦合器、功分器、电容、低噪声放大器和比较器，其中：

探测电路用于根据第一门控脉冲信号，探测入射光中的单光子信号。

作为本实用新型一个可选的实施例，该第一门控脉冲信号为正弦门控脉冲信号。

具体地，第一门控脉冲信号通过端点A进入探测电路。

参考电路用于根据第二门控脉冲信号，产生差分参考信号。

作为一个本实用新型一个可选的实施例，第二门控脉冲信号为正弦门控脉冲信号。

具体地，第二门控脉冲信号通过端点B输入参考电路。

参考电路还用于根据该差分参考信号，消除探测电路中的噪声信号及载波，使得高速正弦门控单光子探测器能够从噪声信号中提取雪崩脉冲电信号。

具体地，该差分参考信号与探测电路中的噪声信号在端点C处发生差分，以消除探测电路中的噪声信号及载波。

探测电路与参考电路为并联关系。

作为本实用新型一个可选的实施方式，探测电路包括雪崩二极管D1和电阻R1。

具体地，雪崩二极管D1工作在200 MHz门脉冲盖革模式下。光子入射到雪崩二极管D1上，形成雪崩电流，通过电阻R1，产生雪崩脉冲电信号。

作为本实用新型一个可选的实施方式，参考电路包括可调衰减器、移相器、雪崩二极管D2和电阻R2。

作为本实用新型一个可选的实施方式，探测电路的寄生参数与参考电路的寄生参数一致。

其中，电路的寄生参数非常多，产生的原因主要为元器件、电路板中的电阻、电感、电容等，并行导体之间会形成电容，元器件本身存在的电感电容电阻，排列整齐的电感会产生耦合作用。

作为本实用新型一个可选的实施方式，第一门控脉冲信号与第二门控脉冲信号之间的相位差为180°且第一门控脉冲信号与第二门控脉冲信号的幅度相同，使得差分参考信号与探测电路中的噪声信号能够在差模网络中抵消，即可将隐藏在第二噪声信号中的雪崩脉冲电信号提取出来。

门控脉冲信号发生器用于制备正弦门控脉冲信号。

耦合器用于按照不同的功率比例，将该正弦门控脉冲信号分为两部分并将比例小的部分正弦门控脉冲信号发送至监控模块、将比例大的部分正弦门控脉冲信号发送至功分器。

功分器用于按照相同的功率比例，将接收到的正弦门控脉冲信号分为两部分并将一部分正弦门控脉冲信号（第一门控脉冲信号）发送至探测电路，另一部分正弦门控脉冲信号（第二门控脉冲信号）发送至可调衰减器。

可调衰减器用于调节第二门控脉冲信号的幅度，使得第一门控脉冲信号与第二门控脉冲信号的幅度相同。

移相器用于调节第二门控脉冲信号的相位，使得第一门控脉冲信号与第二门控脉冲信号的相位差为180°。

特别地，由于第一门控脉冲信号与第二门控脉冲信号的幅度相同、相位相反，则检测电路中产生的噪声信号（差分参考信号）与探测电路中产生的噪声信号的幅度相同、相位相反。

电容用于将提取到的雪崩脉冲电信号的直流偏置电压信号滤除。

低噪声放大器用于将该雪崩脉冲电信号放大。

比较器用于将放大后的雪崩脉冲电信号转换为数字脉冲信号。

本实用新型实施例提供的高速正弦门控单光子探测器包括探测电路和参考电路，其中，探测电路用于根据第一门控脉冲信号，探测入射光中的单光子信号，参考电路用于根据第二门控脉冲信号，产生差分参考信号。参考电路还用于根据差分参考信号，消除探测电路产生的噪声信号及载波，使得高速正弦门控单光子探测器能够从探测电路产生的噪声信号中提取雪崩脉冲电信号，探测电路与参考电路为并联关系，能够有效保证信号完整性，提高了信噪比。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高速正弦门控单光子探测器，其特征在于，包括：

探测电路，用于根据第一门控脉冲信号，探测入射光中的单光子信号；

参考电路，用于根据第二门控脉冲信号，产生差分参考信号；

所述参考电路，还用于根据所述差分参考信号，消除所述探测电路产生的噪声信号及载波，使得高速正弦门控单光子探测器能够从所述噪声信号中提取雪崩信号；

所述探测电路与所述参考电路为并联关系。

2.根据权利要求1所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述探测电路包括雪崩二极管D1和电阻R1。

3.根据权利要求1所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述参考电路包括可调衰减器、移相器、雪崩二极管D2和电阻R2。

4.根据权利要求1所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述探测电路的寄生参数与所述参考电路的寄生参数一致。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于，还包括：

门控脉冲信号发生器、耦合器、功分器、电容、低噪声放大器和比较器。

6.根据权利要求1所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述第一门控脉冲信号与所述第二门控脉冲信号均为正弦门控脉冲信号。

7.根据权利要求3所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述移相器，用于调节所述第二门控脉冲信号的相位，使得所述第一门控脉冲信号与所述第二门控脉冲信号之间的相位差为180°。

8.根据权利要求3所述的高速正弦门控单光子探测器，其特征在于：

所述可调衰减器，用调节所述第二门控脉冲信号的幅度，使得所述第一门控脉冲信号与所述第一门控脉冲信号的幅度相同。

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