[发明专利]一种制冷结构及单光子探测装置

说明书

本发明提供一种适用于单光子探测的制冷结构，包括多个并排排列的制冷盒，每个制冷盒单独封装，每个制冷盒均包括散热器、壳体、TEC制冷器、偏压板、APD管以及光纤连接器，TEC制冷器、偏压板、APD管固定在壳体的内部，散热器固定于壳体的外部，光纤连接器通过光纤连接孔伸入制冷盒的内部，用于连接制冷盒内的APD管的光纤和制冷盒外的传输光纤。本发明还提供一种采用所述制冷结构的单光子探测装置。本发明的优点在于：多个制冷盒并排排布组成制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，不影响其他通道，提高了产品的稳定性。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其是一种适用于单光子探测的制冷结构及单光子探测装置。

背景技术

单光子探测器是量子密钥分发(QKD)系统的重要组成部分，它的作用是把传输到接收端的光量子信号转换成电信号，然后进行进一步的处理。

目前，量子密钥分发系统广泛采用基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器。这种类型的探测器为了适应对极弱光探测的需要，必须尽可能的降低暗噪声水平。而热激发暗噪声是随着温度降低而减小的，因此需要降低探测器的温度来提高探测器的性能。早期的单光子探测器采用液氮制冷系统，这种方法虽然制冷效率高，但使用起来很不方便，也不容易控制温度。目前实际应用中主要采用半导体制冷(TEC)的方式，这种方式体积小，且温度容易控制。另外，单光子探测器在实际工作时，要求APD两端的偏置电压高于其雪崩电压。因此需要设置一个偏压电路板为雪崩光电二极管传递电脉冲信号及提供工作条件，使其达到工作状态，再通过探测器控制电路板(相当于主控板)与其他模块传递信号。

实际中，为方便应用，常把雪崩光电二极管(APD)、半导体制冷器件和偏压电路板封装在一起，组成探测器，进而应用在量子密钥分发系统中。

基于BB84协议偏振编码的量子密钥分发系统，由于发射端根据光量子信号的4种不同偏振态来进行编码，所以接收端需要4个单光子探测器来进行探测。所以在探测器的结构设计上，一种简单易行的方案是直接使用4个独立封装的探测器，由于每个探测器都需要一个主控板进行控制，同时探测器之间需要互连通信，导致这种方法会占用较大的体积，且接线和安装复杂，维护成本高。

现有技术中使用4个独立封装探测器的缺点总结如下：

1、占用体积大，由于使用4个独立封装的探测器，每个探测器都需要一个主控板进行控制；

2、散热差，传统的探测器采取简单的风扇强迫制冷散热，对于一些被遮挡的风不易流通的区域不能有效散热；

3、接线和安装复杂，探测器之间需要通信，导致增加大量的线束，不易安装和维修；

4、成本高，多个主控板和大量的线束，增加了探测器的成本。

所以，现有技术中常用的一种方案是将四个APD封装在一个腔体中，即多通道集成式的结构，现有申请号为201921556919.3的专利《单光子探测器及其低温保温装置》公开的即为这种形式，该低温保温装置包括固定模块、半导体制冷器、电路板、压板、保温壳体、保温壳盖、第一密封圈、第二密封圈以及散热器；所述保温壳体、保温壳盖以及散热器通过所述第一密封圈和第二密封圈组成一个密闭的低温保温空间；所述一个固定模块、一个半导体制冷器以及一个电路板组成一个制冷模块，制冷模块的数量至少为两个；所述压板与所有的制冷模块内置于所述低温保温空间，压板将所有制冷模块固定于所述散热器；低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离低温保温空间的边界。该低温保温装置是在一个大的腔体内将多个APD制冷模块密封，从而达到一体化的效果。

现有技术将多个雪崩光电二极管及其偏压电路板集成于一个制冷盒内，即多通道集成式的结构，其缺陷在于：