[发明专利]一种基于采样的可调频高速近红外单光子探测器

说明书

本发明涉及一种基于采用的可调频高速近红外单光子探测器。采用高速（500MHz以上）高精度（8bits以上）模拟数字转换器（ADC）来对雪崩光电二极管（APD）探测信号进行数字采样，并将采样时钟与APD门控信号同步，使得门控重复频率改变之后，ADC仍然能够对每个门控输出信号进行采样，并且通过高速FPGA进行后续处理，以获得实时结果。本发明不但实现高速的通信波段的单光子探测，而且其重复频率可以连续调节，能够更好的满足各种应用需求，促进高速单光子探测器的实用化、商业化。

技术领域

本发明涉及近红外波段单光子探测，特指基于InGaAs/InP重复频率可调的高速单光子探测器。

背景技术

上世纪九十年代以来，量子计算、量子通信、量子成像等量子技术开始迅猛发展。单光子探测器作为量子密钥分发系统中十分关键的设备，其指标参数直接决定了量子通信系统的性能，如通信速率、安全通信距离等。目前在近红外波段的单光子探测器中，基于超导器件的单光子探测具有噪声低、计数率高等优势，但是劣势也很明显，如成本昂贵、体积庞大、工作条件要求苛刻等，使得其实际应用受到限；参量上转换单光子探测器优点是探测效率高、暗计数低，但是同样有系统复杂、需要强泵浦光的缺点，以及可探测光谱频段极窄。因此目前实际应用较多的是基于半导体材料的单光子探测器。在近红外波段使用的主要的基于InGaAs/InP雪崩光电二极管。

目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的单光子探测器主要采用自由模式和门控模式。对于自由模式，其优点是单光子源可以在任意时刻到达探测器，但是其由于其死时间较长，使得其重复频率受限，只能工作在低速下，并且暗计数较大。

为了克服单光子探测器的暗计数，量子密钥分发系统所需探测器基本都工作在门控模式下。目前，探测器的门控信号主要有两种，一种是正弦波门控，一种是方波门控。对于正弦波门控单光子探测器而言，由于正弦波单一频率的性质，尖峰噪声同样具有单一的频率(当然也可能包含较小幅度的高次谐波成分)，可以通过有限的滤波器件来完成尖峰噪声的抑制。对于方波门控单光子探测器而言，由于尖峰噪声的频谱范围很宽，其噪声抑制技术难度较大。目前效果最为理想的是自差分技术。但是不管是正弦门控还是方波门控，这些高速单光子探测器都是固定单一重复频率，对于每个高速单光子探测器其重复频率不可改变。这是因为采用正弦门控方式时，必须进行带阻滤波，而制作好了的带阻滤波器的中心频率并不能任意可调。故正弦门控的频率不能任意改变。对于采用方波门控，利用自查分方式的的高速单光子探测器，由于自查分两路的长度差是固定的，不能任意改变，因此门控方波的重复频率也要与其匹配，不能随便改变。故而正弦门控方式与自差分方式的高速单光子探测器都没有实现重复频率可调。这些频率不可调的探测器在实际应用中很不方便。研制重复频率可调的高速单光子探测器具有很重要的现实应用意义。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种新的InGaAs/InP单光子探测器技术，解决正弦滤波和自差分方法带来的弊端——重复频率不可调，实现对近红外波段光进行高速且重复频率可调地探测，推进高速单光子探测器的实用化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用高速(500MHz以上)高精度(8bits以上)模拟数字转换器(ADC)来对雪崩光电二极管(APD)探测信号进行数字采样，并将采样时钟与APD门控信号同步，使得门控重复频率改变之后，ADC仍然能够对每个门控输出信号进行采样，并且通过高速FPGA进行后续处理，以获得实时结果。外部控制的正弦时钟信号通过输入端输入，首先经过功率分束器分为两部分，一部分用作ADC的控制时钟，另一部分经过延时、放大、直流耦合等处理，作为APD的门控信号。通过延时调节，使得ADC在每个时钟内都能采集到APD输出信号的同一位置，该位置为雪崩信号最大值处。通过FPGA比较ADC的采样值，判断是否有雪崩信号的产生，以确定是否探测到光子。

本发明的有益效果是:不但实现高速的通信波段的单光子探测，而且其重复频率可以连续调节，能够更好的满足各种应用需求，促进高速单光子探测器的实用化、商业化。

附图说明