[发明专利]一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统

说明书

本发明涉及一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，包括并行APD阵列驱动电路，其输出端与并行APD阵列的输入端相连，并行APD阵列的输出端与信号探测电路的输入端相连，信号探测电路的输出端与模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。本发明使用并行APD阵列将单光子信号转换成雪崩电信号，利用直流偏置电压电路使并行APD阵列工作于盖革模式，利用高速脉冲门控时序信号电路以及多通道光开关实现并行APD阵列的通道时序切换功能，减小了APD器件的死时间，克服了探测器的后脉冲效应，有效提高探测器的工作频率和探测效率。

技术领域

本发明涉及量子通信和量子信息技术中微弱信号探测技术领域，尤其是一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统。

背景技术

目前，红外单光子探测器主要使用的是利用APD器件进行光电探测的方法，其原理是利用光生载流子的光电效应，结型半导体器件在接收到单个光子时，借助强电场作用产生载流子的雪崩倍增效应，从而获得高灵敏的微弱雪崩信号，并由此发展出一些特殊的光电信号处理方法，取得了很大的进展，并且在实际量子密码通信系统中得到实际应用。

基于InGaAs/InP APD器件的红外单光子探测器具有响应速度快，探测灵敏度高，暗计数率低，计数重复率高，成本低，实用性强等优点，并且InGaAs/InP APD作为异质结化合物半导体器件近年来在器件工艺和结构的研究取得较大进展，性能指标得到提高，商用化器件已研制成功。随着器件性能的改善和微弱信号检测电子学方法的发展，基于InGaAs/InP APD的单光子探测器仍然是未来高速红外单光子探测技术的主流方法。

由于InGaAs/InP APD材料中存在一些缺陷，容易成为载流子的俘获中心。由于载流子被俘获中心俘获后，经过一段时间后释放出来，也会产生雪崩信号，即后脉冲效应，目前的主要解决方法是设置一定的死时间，即雪崩被抑制后的一段时间内，使加在APD上的偏压远小于雪崩电压，以保证释放的载流子无法触发雪崩。例如对于触发频率为100MHz数量级的单光子探测器来说,其最大计数率不超过100kHz，通过设置合适的死时间将APD偏压减小并持续几个µs时间不进行探测，从而可以有效的解决后脉冲效应问题。但是对于计数重复率要求GHz以上的高速探测器来说，两次有效探测之间的死时间最多只能设置为1ns数量级，远远低于APD中的载流子寿命，因此根本无法克服高速探测时的后脉冲效应影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减小APD器件的死时间，有效提高探测器的工作频率和探测效率的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，包括用于驱动并行APD阵列的并行APD阵列驱动电路，其输出端与并行APD阵列的控制输入端相连，并行APD阵列的输出端与用于将并行APD阵列输出的单光子信号转换成雪崩电信号并将该雪崩信号提取出来的信号探测电路的输入端相连，信号探测电路的输出端与用于将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号的模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与用于对转换后的数字信号进行甄别探测和计数的信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。

所述并行APD阵列由分立的多个APD器件形成并行的阵列结构，或是由多个APD芯片集成在同一个芯片上封装成一个器件；所述并行APD阵列包含两个控制输入端和一个输出端，其中直流偏置电压信号输入作为第一控制输入端，交流门控偏置信号输入作为第二控制输入端，雪崩电信号输出作为输出端。