[实用新型]一种低时间抖动的单光子探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤通信领域中的微弱近红外光探测与量子保密通信技术等领域，具体地指一种低时间抖动的单光子探测器。

背景技术

单光子探测在光谱分析、生物发光、精密测量、量子信息等领域有着广泛的应用。当前的单光子探测方案中，雪崩光电二极管APD因为探测效率较高、响应速度快、体积小、成本低而成为最为实用的单光子探测器件。

APD用于单光子探测时，须工作于盖革模式，即APD的反向偏置电压大于其雪崩电压。在盖革模式下，APD吸收单光子后产生的载流子会触发所谓的“自持雪崩”过程，光电流被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的雪崩电信号。由于自持雪崩是一个正向反馈过程，一旦发生就不会自行猝灭。为保护APD，并使其可以连续探测单光子，必须在雪崩发生后及时猝灭雪崩过程。常见的雪崩猝灭的方法有：主动猝灭，被动猝灭和门控模式。主动猝灭和被动猝灭可以探测未知时刻到达的光子，但是这两种方法的猝灭时间较长，因此探测速率通常小于兆赫兹。门控模式可以减少雪崩猝灭的时间，其原理是APD的反向直流偏置电压小于雪崩电压，只有单光子脉冲到达时，才通过一个门控脉冲使APD的偏置电压大于雪崩电压，雪崩过程随着门控脉冲的撤销而迅速猝灭，从而在保证探测效率的前提下，大大提高探测速率并降低暗计数率。

在门控模式下，雪崩电信号的幅度是随机起伏的，引起雪崩电信号幅度起伏的原因很多，比如当激光器工作在单光子模式时，每个光脉冲包含的光子数少，光子到达探测器的时间服从泊松分布致使雪崩响应偏离门信号中心位置，导致雪崩电信号的幅度随机起伏。此外，光子到达APD器件吸收面的位置不同，产生载流子的初始能量不确定也将使雪崩电信号的幅度随机起伏。现有的单光子探测器的雪崩信号处理模块直接将提取的雪崩电信号输入到比较器，与固定的阈值电平进行比较，从而将雪崩电信号转化为数字信号作为探测器的输出。由于雪崩电信号幅度随机起伏和本底噪声的存在，阈值电平必须大于本底噪声的幅度，因此输出数字信号的前沿会随着雪崩电信号幅度的起伏而前后移动，这一时间变化量就称为探测器的时间抖动，如附图3 所示。

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装置的测量精度，现有的单光子探测器的时间抖动一般都比较大，难以满足测距要求。

发明内容

本实用新型的目的是为了要解决上述背景技术的不足，提供一种能大大降低探测系统的时间抖动，同时不影响系统的探测效率、暗计数率等性能的低时间抖动的单光子探测器。

本实用新型的技术方案为：一种低时间抖动的单光子探测器，包括：单光子信号探测模块1、雪崩信号提取模块2和雪崩信号处理模块3，所述单光子信号探测模块1的输出端与所述雪崩信号提取模块 2的输入端相连，所述雪崩信号提取模块2的输出端与所述雪崩信号处理模块3的输入端相连，其特征在于：所述单光子信号探测模块1 包括工作在门控模式下的雪崩光电二极管APD；所述雪崩信号处理模块3为限幅放大器8，所述限幅放大器8的输入端与雪崩信号提取模块2的输出端相连，所述限幅放大器8的工作带宽大于所述雪崩电信号的带宽，所述限幅放大器8的输入信号门限值大于所述雪崩信号提取模块2输出信号中的本底噪声的幅度；所述限幅放大器8将所述雪崩电信号转换成数字信号输出。

优选的，可在所述单光子信号探测模块1的雪崩光电二极管APD 的两端反向加载直流电压V_A，所述直流电压V_A小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压V_B；所述雪崩光电二极管的阴极通过隔直电容C与门控信号输入端1.2相连，所述门控信号输入端1.2输入幅度为V_g的正弦门控信号，所述V_g、V_A和V_B满足V_A+V_g>V_B，所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块1的输出端。

优选的，所述门控信号可为频率为f_g的正弦信号，所述雪崩信号提取模块2可由中心频率分别为f_g、2f_g、3f_g的带阻滤波器4、5、6 和低噪声射频小信号放大器7相互串联组成。

优选的，所述门控信号可为正弦信号，所述雪崩信号提取模块2 可包括串联的低通滤波器和低噪声射频小信号放大器，所述低通滤波器的截止频率小于所述门控信号的频率且大于所述雪崩电信号的带宽