[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

说明书

技术领域

本发明涉及近红外波段的量子保密通信和微弱光信号探测等领域，具体涉及一种速率可调谐的吉赫兹近红外波段单光子探测器。

背景技术

单光子探测技术可以广泛应用于量子密钥分配（QKD）、激光雷达(lidar)、光纤传感(fiber optical sensing)、光纤通信(fiber optical communication)等领域。传统上可以使用光电倍增管（PMT）进行单光子探测，其时间分辨率和暗计数指标均十分优秀，但是当波长超过1μm时，其探测的量子效率迅速下降到1%以下，使其不适合红外波段的应用。硅(Si)雪崩光电二极管(APD)在400nm到900nm波长具有超过70%的量子效率，但是对于光纤通信中的近红外波段的低损耗窗口1310nm和1550nm，硅APD几乎没有响应。

一种解决方案是采用波长上转换，将波长1μm以上的光子信号转换为1μm以下的光子信号，再使用硅APD进行探测。但是这种方案中波长上转换过程的效率通常不高，因此总体的量子效率受到影响。且常见的波长上转换需要空间光器件的参与，其系统的复杂度较高，稳定性不好。最近一些年，红外波段单光子探测的研究热点又集中到了基于超导材料的单光子探测器。这一类探测器的探测速率与暗计数性能相对于传统方案均具有较大的优势，但是其工作温度极低（数K），需要庞大且昂贵的制冷设备，因此暂时还很难在实际应用中推广。

目前光纤通信波段的近红外单光子探测主要仍采用基于铟镓砷/铟磷（InGaAs/InP）材料的雪崩光电二极管APD作为探测器元件。采用高于雪崩电压的反向偏置可以使InGaAs/InP APD工作在“盖革”模式。此时即使探测器仅接收到单个光子，也会以一定的概率触发所谓“自持雪崩”。由于雪崩增益极大，单个光子产生的光电流会被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的电流脉冲。其工作温度通常在223K附近以降低暗计数发生的概率，这可以使用半导体制冷技术实现。由于“自持雪崩”是一个正向反馈的过程，一旦发生就不会自行淬灭。为了保证探测器可以连续探测光子，必须在雪崩发生之后，下一光子到达之前主动淬灭雪崩过程。常见的淬灭技术包括：无源模式、有源模式以及门控模式。其中无源和有源模式无需同步光子到达的时间，因此可以测量到达时刻未知的光子信号。但是这两种模式的淬灭过程较长，其探测速率通常小于兆赫兹。而如果能够同步光子的到达时间，则可以采用门控模式。通过仅在光子到达时刻提升雪崩光电二极管APD偏置电压，可以在保证探测效率的前提下，大大提升探测速率并降低暗计数发生的概率。

但是由于雪崩光电二极管APD结电容的高通耦合特性，采用门控模式淬灭雪崩时，探测器的输出会受到与门控信号同频的峰状噪声干扰。而单光子的雪崩信号幅度相对于噪声水平较小，如何从强干扰噪声中提取出雪崩脉冲信号就变得十分重要。提升反向偏置电压从而增加雪崩增益以提高雪崩信号幅度是一种常见的方案。但是InGaAs/InP APD的材料中总是存在一些缺陷。在雪崩过程中，雪崩增益激发的大量载流子会以一定的概率被这些材料缺陷捕获，并经历一定的时间后释放。这些延时释放的载流子有可能再次激发雪崩信号，产生所谓“后脉冲”效应。显然后脉冲是一种假信号，其发生概率应被尽量抑制。延长门控信号的重复周期可以有效降低后脉冲概率，但是这就限制了探测速率。为了提高探测速率，只能够使用较小的雪崩增益，此时雪崩信号的幅度相对于峰状噪声水平就变得更低，信号提取更加困难。

为了抑制峰状噪声对雪崩信号检测的影响，产生了一类称为自差分的技术。这一类技术所使用的门控信号通常为周期性的方波信号，将探测器输出的原始信号分作两路，其中一路信号经过反向和一个门控周期的延迟后与另一路信号相加。由于峰状噪声具有周期性，相加的结果将抑制噪声而保留雪崩信号。另一种常用的方法是正弦波门控技术，其门控信号为纯净的正弦波信号。由于正弦波在频域上仅对应单一的频率分量，因此探测器输出的噪声主要仍为同频的正弦信号。传统上采用选频特性极佳的带阻滤波器抑制这一正弦噪声分量，取出雪崩信号。无论是自差分技术还是正弦门控技术，其探测速率是固定的，由延迟线长度或滤波器中心频率决定。因此其探测速率的适应性不强，一旦探测器完成设计，其工作速率就是固定的，灵活性差。且由于高性能的延迟线和滤波器的几何尺寸通常与波长相比拟，对于吉赫兹的探测器，延迟线或滤波器的尺寸均在数十厘米以上，使得整个探测器系统体积仍显庞大，不利于便携式的现场应用。

发明内容