[发明专利]一种单光子探测器电路及其探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别的是涉及一种单光子探测器电路及其探测方法。

背景技术

单光子探测技术在量子密钥分发系统、高分辨率的光谱测量、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、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

在单光子探测的实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管（APD）作为探测器件的方案。当APD的工作电压逐渐逼近雪崩击穿电压时，理论上雪崩倍增因子M将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M到1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即当APD工作电压高于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M才能大到足以产生一个巨观的脉冲，用于单光子的甄别。在盖革模式下，必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩持续下去，探测器无法接收下一个光子。根据抑制雪崩的方式的不同，单光子探测器中的APD的工作模式有三种：无源抑制、有源抑制和门控模式。因为InGaAs/InP APD的后脉冲问题，目前用于红外波段的单光子探测的APD都是采用门控模式的偏置方式。门控模式的基本原理如图1所示，直流偏压+VA通过电阻RL加载到APD的阴极，使它被偏置于雪崩电压之下。只有当光信号到达时，才通过一个门控脉冲Vg使APD的偏置电压高于雪崩击穿电压，从而获得足够大的增益，进行单光子探测。APD的雪崩电流在负载电阻Rs上产生输出信号电压，供后级电路处理。

门控模式能够很好的减少暗计数和抑制后脉冲问题，但是，由于高速的门控脉冲通过APD的结电容耦合到负载电阻上，在门控脉冲的上升和下降沿分别产生正负的电尖峰。正的电尖峰幅度可能超过幅度甄别器的阈值，导致错误的计数。为了避免这一问题，必须提高幅度甄别器的阈值。由于APD输出的雪崩脉冲的幅度分布大多在幅度比较低的区域，提高幅度甄别器的阈值将导致探测效率的降低。虽然提高APD的偏置电压可以提高雪崩脉冲的幅度，但是偏置电压越高，暗计数率和后脉冲率越高，所以电尖峰的存在，不可避免地降低了单光子探测器的性能。

为了消除门控噪声的影响，国内外的研究者提出了很多种方案，主要有：电容差分相消法，同轴电缆脉冲叠加相消法，APD平衡相消法，高频变压器法，同步门电路法，放电脉冲检测法，正弦波门控脉冲法，积分门控方案和自差分方案。这些方法都是对电尖峰和雪崩信号进行一些处理，以达到减弱或消除电尖峰的效果，而这些方法均有可能引入新的噪声和引起雪崩信号的失真。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种单光子探测器电路及其探测方法。通过高速放大器，使得原先混叠在一起的门控脉冲产生的电尖峰和雪崩信号能够在时域上被分离，从而得到原始的雪崩信号，简单的解决门控脉冲产生的电尖峰问题的脉冲分离单光子探测器。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种单光子探测器电路，包括偏置电压单元、脉冲发生器、雪崩光电二极管APD，所述偏置电压单元通过第一电阻R1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，脉冲发生器通过第一电容C1的一端与雪崩光电二极管APD的阴极连接，雪崩光电二极管APD的阳极接负载电阻RL；单光子探测器电路还包括与雪崩光电二极管APD的阳极顺次连接的高速放大器、高速比较器和高速计数器。

所述高速放大器的带宽的下限范围为：0.35至3.5GHz。带宽范围是通过以下方式确定：0.35 除以门控脉冲的上升或下降时间的最小值作为带宽下限，高速放大器的带宽必须大于带宽下限，才能实现脉冲分离。放大器带宽越大越好，能够实现的高速放大器带宽上限是10GHz。通常门控脉冲的上升或下降时间在100ps到1ns之间，对应的高速放大器的带宽的下限范围为：3.5GHz至0.35GHz。高速放大器用于使得脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号在时域上被分离。

所述高速比较器的响应时间为小于门控脉冲发生器产生的门控脉冲的上升或下降时间最小值，即当门控脉冲发生器产生的门控脉冲的上升时间小于下降时间，则响应时间必须小于门控脉冲的上升时间；否则必须小于门控脉冲的下降时间，比较器响应时间越小越好，它的最小值只是受实际器件性能的制约，通常能够实现的最短响应时间为100ps。高速比较器的响应时间通常在100ps至1ns之间，用于响应门控脉冲发生器产生的电尖峰和雪崩信号。

本发明又是提出一种单光子探测器电路的探测方法，包括以下步骤：

1）雪崩光电二极管APD通过偏置电压单元，被偏置在雪崩电压之下；