[发明专利]一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法。

背景技术

单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)能够检测单个光子，在量子通信和光纤传感等领域有着重要的理论研究价值与应用价值。单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式时，两端的工作电压要高于其雪崩击穿电压，这样探测器吸收单个光子时，会产生自雪崩信号，可用于单光子检测。在盖革模式下，工作电压与雪崩击穿电压的差值称为过偏电压，单光子的探测效率随着过偏电压的增大而增大。

在盖革模式下，需要采取抑制方法，避免单光子雪崩探测器(SPAD)的工作电压长期大于雪崩击穿电压，对探测器造成很大的损伤。常用的抑制方式有无源抑制、有源抑制和门控模式，其中门控模式有着更高的计数率、更低的暗计数率、更小的后脉冲影响、更安全等优点在三类方式中效果最好。常用的门控模式信号有两类，具体如下：

第一种是方波门控：通过把方波信号(或双极性方波信号)和偏置电压一起施加到探测器的两端，使得单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式。Xiao-Lei Liang,Jian-Hong Liu,和Quan Wang《Fully integrated InGaAs/InP single-photon detector module with gigahertz sine wave gating》就是用到了方波信号作为门控，取得很好地探测效率。Abdessattar Bouzid，Jun-Bum Park和Se Min Kim等的《Near Infrared Single Photon Detector Using an InGaAs/InP Avalanche Photodiode Operated with a Bipolar Gating Signal》提到了双极性的方波信号作为门控信号，后脉冲影响被极大地抑制。但是，方波方式的死区时间太长，使得探测器性能没有得到完全发挥。

第二种是正弦门控：通过把等振幅正弦波信号和偏置电压一起施加到探测器的两端，使得单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式。N.Namekata、S.Sasamori和S.Inoue的《800MHz Single-photon detection at1550-nm using an InGaAs/InP avalanche photodiode operated with a sine wavegating》及Y.Nambu,S.Takahashi和K.Yoshino 等的《Efficient and low-noise single-photon avalanche photodiode for1.244-GHz clocked quantum keydistribution》使用正弦的门控方式使得单光子探测速率大幅提高，并有效降低噪声影响。

不论是方波门控模式，还是正弦门控模式，单光子雪崩探测器(SPAD)的动态范围都受到探测器的饱和功率和噪声等效功率的限制。通常，为了获得更宽的动态范围，传统的正弦门控方式常采用下面两种方法：方法一、在探测周期前期，信号较强，通过加衰减器衰减输入光信号，来避免探测器饱和，获得一次检测结果；在探测周期的后期，信号较弱，通过去掉衰减器增强输入光信号，获得末端信噪比较好的检测结果；最后，将前后的检测结果拼接起来，得到最终的检测结果。方法二、在探测前期，采用较弱的输入光信号，以避免探测器饱和，获得一次检测结果；在探测周期的后期，将输入光信号增强，以获取较好的检测结果；最后，将前后的检测结果拼接起来，得到最终的检测结果。这两种方法在测量微弱光信号时都将一个测试分为多次测量以增加动态范围，但需要额外的测量次数并且加大了测量的时间。

如何克服现有技术的不足已成为现有光纤传感技术领域亟待解决的重点难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法，它能够实现在单个测量周期内，即可实现对微弱光信号大动态范围的测量，测量效率高、缩短了测量次数且节省了测量时间。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，包括光时域反射传感系统、波形发生器、门控信号发生模块、探测器驱动模块、信号处理模块、时间信号分析模块和处理器；其中：

光时域反射传感系统，用于输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号；