[发明专利]频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器

权利要求书

1.一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：包括正弦波门控信号发生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模块，半导体温度控制模块，高压直流偏置模块，功率合成器，低通滤波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比较器，脉冲计数器，功率探测器，相位与幅度自动锁定模块，压控增益放大器以及锁相环，其中：

所述正弦波门控信号发生器产生频率为吉赫兹的正弦信号，该正弦信号经第一功率分配器分为两路输出信号：第一输出信号作为InGaAs/InP APD模块的门控信号，该门控信号加载在高压直流偏置模块产生的直流电压偏置之上，用于控制雪崩光电二极管APD的工作状态；第二路输出信号依次经过锁相环、压控增益放大器后形成与InGaAs/InP APD模块输出的尖峰噪声幅度相同、相位相反的正弦信号；

所述InGaAs/InP模块的输出信号、压控增益放大器输出的正弦信号分别输入功率合成器相加后，所合成的信号依次经过低通滤波器、功率放大器后，经过第二功率分配器分为两路输出信号：第一路输出信号依次经过超高速比较器、脉冲计数器得到InGaAs/InP APD模块所探测到的光子计数；第二路输出信号经功率探测器输入至相位与幅度自动锁存模块；相位与幅度自动锁定模块根据功率探测器的输出信号幅度大小，调节锁相环的相位延迟以及压控增益放大器的增益，使得锁相环和压控增益放大器在相位与幅度自动锁存模块的控制下，合成与雪崩光电二极管APD结电容耦合的正弦噪声信号幅度相同、相位相反的同频信号；

所述半导体温度控制模块用于调节所述InGaAs/InP模块的温度。

2.如权利要求1所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：所述的InGaAs/InP APD模块包括输入匹配电阻、隔直电容、限流保护电阻、去耦电容、雪崩光电二极管APD、输出匹配电阻，帕尔贴以及热敏电阻，其中：

所述雪崩光电二极管APD、帕尔贴以及热敏电阻被粘连在一起并使用保温材料加以密封；雪崩光电二极管APD的门控信号经所述输入匹配电阻接地，以保证高频信号不出现反射而造成失真；所述隔直电容用于隔离门控信号和高压直流偏置之间的直流耦合，仅允许交流的门控信号通过，并加载到雪崩光电二极管APD的阴极；所述输出匹配电阻的一端分别连接雪崩光电二极管APD的阳极和InGaAs/InP APD模块的输出端，所述输出匹配电阻的另一端接地；高压直流偏置模块的直流电压偏置通过所述限流保护电阻连接雪崩光电二极管APD的阴极，形成高压反向偏置；直流电压偏置进入InGaAs/InP APD模块内部时，通过所述去耦电容接地，以抑制偏置输入端口的高频干扰。

3.如权利要求1所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：所述的相位和幅度自动锁存模块包括模数转换器，微控制器、数模转换器，其中：

所述功率探测器探测的电压信号输入经模数转换器采样，将模拟量电压信号转换为数字信号，该数字信号经过微控制器利用相位和幅度自动锁存算法计算后，得到锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压，微控制器将该最佳工作电压信号经数模转换器转换为模拟控制电压，并分别输出给锁相环和压控增益放大器，使两个器件锁定在最佳工作状态。

4.如权利要求1或3所述的频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其特征在于：相位与幅度自动锁定模块根据以下方法确定锁相环和压控增益放大器的最佳工作电压：

将功率探测器输出的滤波后的信号S_out表示为：

其中E代表容性耦合噪声的电场强度，E’代表差分信号的电场强度，代表容性耦合噪声的相位，代表差分信号的相位；

根据上式，仅当容性耦合噪声与差分信号强度一致且两者相位差时才能得到功率探测器输出的最小值，此时差分信号对容性耦合噪声的抑制达到最佳工作点，N为整数；

依照上述原则，利用微控制器按照数模转换器的最小步长分别给予锁相环和压控增益放大器增大或减小的控制电压信号，在此过程中得到一个功率探测器输出的最小值，此时的微控制器输出的控制电压为锁相环和压控增益放大器最佳工作电压。