[发明专利]双极性偏压的APD单光子探测系统

说明书

[技术领域]

本发明涉及单光子灵敏探测技术，具体涉及一种利用正负双极性的门脉冲配合正负双极性偏压实现高速单光子探测的系统。

[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。近年来，随着量子信息科学的兴起以及超灵敏光谱学的发展，单光子探测器技术在其中扮演着越来越重要的作用。

在众多波段的单光子探测技术中，近红外单光子探测技术由于其应用的广泛性和重要性引起了更多的关注，尤其是在具有重要应用价值的量子保密通信系统中，通信波段的近红外单光子探测器作为核心器件，直接决定了系统的通信距离、成码率和误码率；同时近红外单光子探测器在激光测距，灵敏红外光谱检测方面也有着重要的应用。因此如何提高单光子探测器的工作频率、量子效率、降低探测器的噪声成为现阶段众多学科和领域的热门课题。

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，在这种模式中，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压。由于APD只有在有可能有光子到达的时候才会处于工作状态，因此在其他时间APD的增益系数比较低，产生的噪声信号很低，也不会因为噪声信号导致APD处于“死状态”而不能探测真正的光子使APD的量子效率下降。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“门模式”的APD在量子保密通信系统中得到了非常广泛的应用。

相对于传统的被动抑制和主动抑制电路，“门模式”有着显著的优点。在被动抑制电路中，对雪崩电流的释放是通过串联一个电阻来完成的。APD的恢复时间由APD的分布电容和串联电阻的大小决定，通常情况下，串联电阻的大小都在数十千欧姆量级，使得恢复时间较长，因此，采用被动抑制电路的单光子探测速率较低。

而在主动抑制的电路中，利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，在一次雪崩产生之后，迅速做出反应，形成一个电压脉冲，将APD的阴极电压拉低，使得雪崩在很短的时间内得到抑制。由于采用了迅速关断的方式，主动抑制电路克服了被动抑制电路恢复时间长的缺点，而且雪崩时间短，后脉冲概率较低。但是由于没有光子时，APD仍处于盖格模式，使得主动抑制电路下暗计数相对于后面介绍的门脉冲模式较高。主动抑制电路通常用于连续探测模式的单光子探测。

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，提供了一种高速高效的单光子探测技术和APD激励模块，该模块摒弃了传统的单极性偏压的雪崩模式，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，正负门脉冲偏压加置于APD上也有利于方便地控制APD结电容的容性噪声，采用电容平衡抑制的方法消除尖锋噪声的影响，能实现单光子探测的高重复频率运行，而双极性直流偏压有利于降低直流电压的纹波的影响，提高单光子雪崩电流与尖锋噪声抑制后的信噪比，特别有利于改善高速单光子探测的工作特性。

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：

双极性偏压的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包括有串联连接的雪崩光电管D3和取样电阻R36，所述取样电阻R36两端连接有并联有用于取样隔离输出的第一传输线变压器电路41，所述雪崩光电管电路1两端并联有经过容性噪声模拟后再取样输出的第二传输线变压器电路42，所述第一传输线变压器电路41输出端与第二传输线变压器电路42输出端分别与用于噪声抵消的差分运放器5连接，所述差分运放器5输出端连接有用于雪崩鉴别的高速比较器电路6。

所述正负双极性偏压产生电路2为可提供正负双极性高压的外部可控电源。