[实用新型]一种噪声抑制装置

说明书

[技术领域]

本发明涉及一种噪声抑制装置，属于红外灵敏探测和量子保密通信领域。

[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，APD(雪崩光电二极管)一般是工作在所谓的“门模式”下，门模式的基本思想是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。但是由于APD是容性器件，门脉冲会通过APD的结电容在取样电阻上产生一个微分信号，称之为尖峰噪声，尖峰噪声的幅度随着重复频率的提高而增大，成为掩盖雪崩信号最主要的噪声，如何抑制门脉冲产生的尖峰噪声，提取雪崩信号是单光子探测重点研究的技术之一。

在诸多单光子探测噪声抑制技术中，常见的方案主要有如下几种：

1.提高APD的偏置电压或者门脉冲幅度，使得APD的雪崩增益提高，产生的雪崩脉冲高于尖峰噪声的幅度。这种方法最简单最直接，但是有两个缺点：一是仅适用于量子效率较高的场合，二是雪崩增益的提高导致后脉冲噪声的提高。

2.负脉冲甄别方法，利用雪崩击穿时雪崩脉冲电流和尖峰脉冲电流的正负抵消作用，探测输出的负半周信号实现雪崩信号的甄别。这种方法对电路设计要求较高，阻抗失匹和高频噪声的干扰均会影响信噪比。

3.平衡的方法，核心思想是生成与尖峰噪声相类似的共模信号，通过差模网络抵消共模信号，提取雪崩信号。平衡的方法是现今单光子探测中最普遍采用和效果最好的一种方法。电路实现简单，对尖峰噪声的抑制比高，国际上多个研究小组提出了各自不同的平衡方法，具有代表性的有：同轴电缆反射平衡方法、双APD平衡方法等。这些方法通常能够将APD的尖峰噪声抑制20dB左右。

由于现在单光子探测技术正向高重复频率、高探测效率的方向发展，在高的重复频率下，信噪比迅速下降，对噪声抑制提出了更高的要求，尤其是在光子数可分辨的灵敏探测研究领域，现有的噪声抑制方法是远不能满足其要求的。

[发明内容]

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种噪声抑制装置，该装置能够在高重复频率下对雪崩光电二极管的尖峰噪声进行抑制，采用级联方式提高信噪比，使得信噪比达到最优。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种噪声抑制装置，包括有用于从雪崩光电二极管APD采集信号的取样电阻，在取样电阻上顺次级联有多个噪声抑制平衡模块，每个噪声抑制平衡模块包括将取样电阻采集的信号或上一级噪声抑制平衡模块输出的信号分成两路相同信号的信号分配器，在信号分配器的两个信号输出端分别接有两段不同长度的第一电缆和第二电缆，信号分配器输出的两路信号经过第一电缆和第二电缆后在时间上相差一个信号重复周期，所述第一电缆和第二电缆的另一端接有将第一电缆和第二电缆传送来的两路信号相减抑制噪声并输出雪崩信号的减法器，该减法器的输出端作为噪声抑制平衡模块的输出端。

所述噪声抑制平衡模块的工作频率范围是100MHz到2.5GHz。

所述雪崩光电二极管工作在饱和式盖格模式或亚饱和的非线性增益模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将从雪崩光电二极管采集的信号分成相同的两路信号，利用了噪声的相关性使噪声与噪声相减，在源头上保证了在零度减法器两个输入端噪声的高保真以获得高抑制比，同时采用级联多次进行抑制使得装置整体的信噪比得到很大的提高。

2、本噪声抑制装置的噪声抑制比很大，可轻松达到50dB。即使尖峰噪声增大了，亦可对其进行有效地抑制，实现高效的单光子探测，这样，可以提高加载在APD上的门脉冲幅度，相应地直流偏置就可以降低，有效地抑制雪崩光电二极管的后脉冲影响，最终提高单光子探测的有效饱和计数率。