[发明专利]双极性自平衡APD单光子探测系统

说明书

[技术领域]

本发明涉及高灵敏高速光电探测类，具体涉及双极性自平衡APD单光子探测系统。

[背景技术]

单光子探测技术是超灵敏光信号检测的诸多技术之一，在物理学、化学、生物学等学科以及工程应用领域有着十分广泛的应用，尤其是在量子保密通信中。作为量子保密通信系统中一项关键的技术就是在光纤通信的三个低损耗窗口即850nm、1310nm、1550nm中实现单光子探测。在通信的这三个窗口，单光子的能量都在10E-19焦耳量级，达到探测器探测灵敏度的极限。在继续研制和开发有更高灵敏度的新型结构的光探测器的同时，研究发现和改进APD的控制驱动技术，用市场上现有的APD也能实现单光子探测。目前世界上成功实现的量子保密通信系统是靠改进APD控制驱动技术实现的。

在单光子探测中，雪崩光电二极管APD一般是工作在所谓的“门模式”下，门模式的基本思想是APD的偏置电压只会在有可能由光子到达的很短的一个时间内高于雪崩电压，在其他时间偏置电压都将低于雪崩电。在量子保密通信中，因为光路信息是已知的，即光子到达探测器的时间也是可以预测的，所以门控模式的APD在量子保密通信系统中得到了非常广泛的应用。

但是随着工作频率的提高，会使得由于APD容性效应充放电带来的尖峰噪声大幅度增大，同时雪崩的时间减少了，降低了雪崩幅度，使得雪崩信号难以从尖峰噪声中分辨出来。所以高速单光子探测的关键技术是如何从尖峰噪声中提起微弱的雪崩信号。当单光子探测器的工作频率到了几十兆赫兹以上，一般提取雪崩信号的方法有两种，一种是自平衡方法，一种是正弦滤波的方法。正弦滤波的方法加载的门脉冲为正弦信号，利用噪声频谱成分简单，容易滤去的特点，直接将噪声滤去，电路简单。但是在滤去噪声的同时，也滤去了雪崩信号相应的频谱成分，破坏了雪崩信号的完整性，多次滤波不仅会降低雪崩信号的幅度，也会增大单光子探测器的时间抖动。在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套的测量精度，使用多次滤波的方法时间抖动太大，难以满足测距的要求。

自平衡的方法，对具体门脉冲波形无要求，主要利用尖峰噪声的自相关性，将APD出来的响应信号分成两路，其中一路延时一个周期，两路响应信号相减，从而抵消尖峰噪声。但是在平衡过程中，尖峰噪声两路信号的延时和幅度不易精确调节控制，噪声的抑制比较低，约为15dB。为了提高信噪比，需提高雪崩信号的幅度，只能提高直流偏置或者门脉冲信号，但是，同时也对导致后脉冲计数和暗计数增大，不利于提高整个探测模块的性能，难以满足实际应用的需求。

因此，有必要解决如上问题。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了双极性自平衡APD单光子探测系统，来实现高速高效的单光子探测，采用双极性门脉冲配合双极性直流偏压来激励雪崩光电二极管，并对正负两部分雪崩信号进行探测，正负门脉冲偏压等效与在APD上加置二个门脉冲绝对幅值之和的单极偏压，有利于在较低的直流偏置电压和较高的门脉冲幅度下激励APD的单光子雪崩，从而减低暗计数和后脉冲的影响，提高探测效率和单光子探测器的工作频率。

另一方面，由正负双极性脉冲经过APD激发出的容性噪声分别通过长短延时线使得相邻一个周期的信号进行消噪，由于相邻两周期同时发生雪崩的概率几乎为零，因而相邻两周期的信号进行相减后，抵消门脉冲加载在APD上的容性噪声，这样雪崩信号就被很好的显露出来。

以及通过精密控制双极性门脉冲的相对延时，也可方便地调节尖锋噪声的幅值，有利于进一步提升尖锋噪声的抑制比。相对较低的双极性门脉冲配合双极性直流偏压，在降低单光子符合计数的超短脉冲门设计的苛刻要求同时，也提升了单光子探测器件的在各种不同运行条件下的长期稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

双极性自平衡APD单光子探测系统，包括有用于感应外来极弱光的雪崩光电管电路1，所述雪崩光电管电路1两端并联有用于提供正负双极性高偏压的正负双极性偏压产生电路2和用于提供双极性门脉冲的双极性门脉冲产生电路3，所述雪崩光电管电路1输出端顺次连接有用于隔离取样的传输线变压器电路4、用于消除信号容性噪声的自差分噪声消除电路5、用于信号放大的宽带放大器电路6、以及用于雪崩鉴别的高速比较器电路7。