專利名稱：一種雙極性偏壓的單光子探測方法
一種雙極性偏壓的單光子探測方法本發(fā)明涉及單光子靈敏探測技術(shù)，具體涉及一種利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性偏壓實現(xiàn)高速近紅外單光子探測的方法。單光子探測技術(shù)是超靈敏光信號檢測的諸多技術(shù)之一，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科以及工程應(yīng)用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著量子信息科學(xué)的興起以及超靈敏光譜學(xué)的發(fā)展，單光子探測器技術(shù)在其中扮演著越來越重要的作用。在眾多波段的單光子探測技術(shù)中，近紅外單光子探測技術(shù)由于其應(yīng)用的廣泛性和重要性引起了更多的關(guān)注，尤其是在具有重要應(yīng)用價值的量子保密通信系統(tǒng)中，通信波段的近紅外單光子探測器作為核心器件，直接決定了系統(tǒng)的通信距離、成碼率和誤碼率；同時近紅外單光子探測器在激光測距，靈敏紅外光譜檢測方面也有著重要的應(yīng)用。因此如何提高單光子探測器的工作頻率、量子效率、降低探測器的噪聲成為現(xiàn)階段眾多學(xué)科和領(lǐng)域的熱門課題。在單光子探測中，雪崩光電二極管APD —般是工作在所謂的“門模式”下，在這種模式中，APD的偏置電壓只會在有可能由光子到達的很短的一個時間內(nèi)高于雪崩電壓，在其他時間偏置電壓都將低于雪崩電壓。由于APD只有在有可能有光子到達的時候才會處于工作狀態(tài)，因此在其他時間APD的增益系數(shù)比較低，產(chǎn)生的噪聲信號很低，也不會因為噪聲信號導(dǎo)致AH)處于“死狀態(tài)”而不能探測真正的光子使APD的量子效率下降。在量子保密通信中，因為光路信息是已知的，即光子到達探測器的時間也是可以預(yù)測的，所以“門模式”的APD在量子保密通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的被動抑制和主動抑制電路，“門模式”有著顯著的優(yōu)點。在被動抑制電路中，對雪崩電流的釋放是通過串聯(lián)一個電阻來完成的。APD的恢復(fù)時間由APD的分布電容和串聯(lián)電阻的大小決定，通常情況下，串聯(lián)電阻的大小都在數(shù)十千歐姆量級，使得恢復(fù)時間較長，因此，采用被動抑制電路的單光子探測速率較低。而在主動抑制的電路中，利用雪崩信號的上升沿作為觸發(fā)信號，在一次雪崩產(chǎn)生之后，迅速做出反應(yīng)，形成一個電壓脈沖，將APD的陰極電壓拉低，使得雪崩在很短的時間內(nèi)得到抑制。由于采用了迅速關(guān)斷的方式，主動抑制電路克服了被動抑制電路恢復(fù)時間長的缺點，而且雪崩時間短，后脈沖概率較低。但是由于沒有光子時，Aro仍處于蓋格模式，使得主動抑制電路下暗計數(shù)相對于后面介紹的門脈沖模式較高。主動抑制電路通常用于連續(xù)探測模式的單光子探測。因此，有必要解決如上問題。本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種雙極性偏壓的單光子探測方法，來實現(xiàn)高速高效的單光子探測，其采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個門脈沖絕對幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計數(shù)和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。另一方面，通過精密控制雙極性門脈沖的相對延時，也可方便地調(diào)節(jié)尖鋒噪聲的幅值，有利于進一步提升尖鋒噪聲的抑制比。相對較低的雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓，在降低單光子符合計數(shù)的超短脈沖門設(shè)計的苛刻要求同時，也提升了單光子探測器件的在各種不同運行條件下的長期穩(wěn)定性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案一種雙極性偏壓的單光子探測方法，雪崩光電二極管工作在雙極性偏置下，利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，通過噪聲平衡抑制電路實現(xiàn)尖峰噪聲平衡抑制，通過信號甄別提取電路完成單光子雪崩信號的鑒別提取。如上所述，正負雙極性的門脈沖其波形與相對延時精確可調(diào)。如上所述，正負雙極性的直流偏壓精確可調(diào)。本發(fā)明的有益效果是I、利用正負雙極性的門脈沖替代傳統(tǒng)的單極性門脈沖，配合正負雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，降低對門脈沖的要求，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵A(yù)PD的單光子雪崩，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。2、用正負雙極性門脈沖去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單門脈沖模式，雙極性門加載在雪崩光電管上可以等效為一個幅度為兩個門幅度的絕對值疊加，從而能輕松的獲得高幅度的門脈沖，并且在在探測效率基本不變的情況下所需的直流偏置會更低，這就能很好的抑制暗計數(shù)率和后脈沖概率，使得探測器的性能進一步提聞。3、相對較低的雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓，有利于提升單光子探測器件在各種不同運行條件下的長期穩(wěn)定性。4、雪崩光電二極管雙極性偏壓脈沖其波形與相對延時可精確調(diào)控，正負雙極性的直流偏壓精確可調(diào)，通過精確調(diào)節(jié)正負兩脈沖之間的延時和相對寬度，可以使得等效后的門脈沖具有更加平緩的上升沿，從而令A(yù)PD響應(yīng)的容性噪聲相對減小，降低后級噪聲平衡電路的難度，提高平衡效果。5、雪崩光電二極管雙極性偏壓脈沖的工作重復(fù)頻率可根據(jù)特定應(yīng)用需要從低頻到高頻進行調(diào)諧，適用于多種實際應(yīng)用。圖I是本發(fā)明示意圖。圖2是本發(fā)明的正負雙極性脈沖等效為一個幅度更高的門脈沖示意圖。圖3是本發(fā)明優(yōu)化調(diào)節(jié)正負脈沖延時與寬度。下面結(jié)合附圖
與本發(fā)明的實施方式作進一步詳細的描述
如圖I所示，正負雙極性的門脈沖3、雙極性偏壓2共同加載在雪崩光電二極管D3兩端，從而雪崩光電二極管D3工作在雙極性偏置下，利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性的直流偏壓，并通過噪聲平衡抑制電路實現(xiàn)尖峰噪聲平衡抑制，通過信號甄別提取電路完成單光子雪崩信號的鑒別提取。如圖2所示，本發(fā)明的核心思想就是用正負雙極性門脈沖去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單門脈沖模式，雙極性門加載在雪崩光電管上可以等效為一個幅度為兩個門幅度的絕對值疊加，從而能輕松的獲得高幅度的門脈沖，在探測效率基本不變的情況下所需的直流偏置會更低，這就能很好的抑制暗計數(shù)率和后脈沖概率，使得探測器的性能進一步提高。如圖3所示，通過精確調(diào)節(jié)正負兩脈沖之間的延時和相對寬度，可以使得等效后的門脈沖具有更加平緩的上升沿，從而令A(yù)PD響應(yīng)的容性噪聲相對減小，降低后級噪聲平衡電路的難度，提高平衡效果。如上所述，本發(fā)明保護的是一種雙極性偏壓的單光子探測方法，其采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個門脈沖絕對幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計數(shù)和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率；另一方面，通過精密控制雙極性門脈沖的相對延時，也可方便地調(diào)節(jié)尖鋒噪聲的幅值，有利于進一步提升尖鋒噪聲的抑制比。相對較低的雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓，在降低單光子符合計數(shù)的超短脈沖門設(shè)計的苛刻要求同時，也提升了單光子探測器件的在各種不同運行條件下的長期穩(wěn)定性。一切與本發(fā)明相同或相近的技術(shù)方案都示為落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙極性偏壓的單光子探測方法，其特征在于雪崩光電二極管工作在雙極性偏置下，利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，通過噪聲平衡抑制電路實現(xiàn)尖峰噪聲平衡抑制，通過信號甄別提取電路完成單光子雪崩信號的鑒別提取。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙極性偏壓的單光子探測方法，其特征在于所述正負雙極性的門脈沖其波形與相對延時精確可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙極性偏壓的單光子探測方法，其特征在于所述正負雙極性的直流偏壓精確可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙極性偏壓的單光子探測方法，雪崩光電二極管工作在雙極性偏置下，利用正負雙極性的門脈沖配合正負雙極性的直流偏壓，加載在雪崩光電二極管兩端，通過噪聲平衡抑制電路實現(xiàn)尖峰噪聲平衡抑制，通過信號甄別提取電路完成單光子雪崩信號的鑒別提取。本發(fā)明的目的是通過采用雙極性門脈沖配合雙極性直流偏壓來激勵雪崩光電二極管，并對正負兩部分雪崩信號進行探測，正負門脈沖偏壓等效與在APD上加置二個門脈沖絕對幅值之和的單極偏壓，有利于在較低的直流偏置電壓和較高的門脈沖幅度下激勵A(yù)PD的單光子雪崩，從而減低暗計數(shù)和后脈沖的影響，提高探測效率和單光子探測器的工作頻率。
文檔編號G01J11/00GK102980668SQ20121048011
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 梁焰 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司