[发明专利]超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种弱光检测和高速量子探测技术，特别涉及一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器。

背景技术

近年来，随着量子力学和信息科学的飞速稳步发展,导致了新兴交叉学科——量子信息科学的诞生，其发展为经典信息科学带来的机遇和挑战已引起物理学界和信息学界的广泛关注。目前，量子信息科学的研究中大量采用单光子作为量子信息的载体，因此单光子探测技术起着至关重要的作用。作为近红外通信波段光子的有效检测器件，基于 InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）的单光子探测器，不仅具备尺寸小、功耗低、仅需半导体制冷甚至无需制冷、易于集成的生产优势外，还具备探测效率高、暗计数低、时间抖动小，最大计数率高等性能优势。考虑到这些优势，在量子密钥分发、深空探测及通信、激光测距等系统中，InGaAs/InP APD已被广泛使用。因此，为了满足各领域日益增长的需求，提升系统性能，实现基于InGaAs/InP APD 的高速低噪声单光子探测势在必行。

InGaAs/InP APD一般具有两种工作模式，即线性模式和盖革模式。为了实现单光子水平下的弱光信号检测，雪崩光电二极管往往需要工作在门控盖革模式下以响应单个光子。然而由于APD结电容的微分效应，充放电产生的尖峰噪声会将有效的光生雪崩信号湮没，同时随着门脉冲重复频率的提高，尖峰噪声信号增大，有效雪崩时间缩短，会进一步增大有效雪崩信号的提取难度。因此，如何消除尖峰噪声并从中提取出微弱的有效雪崩信号，是实现门控模式InGaAs/InP APD单光子探测的核心问题，而目前发展较为成熟的方案主要有基于差分平衡技术的等效电容平衡方案、自平衡方案和基于滤波技术的正弦门滤波方案。

基于差分平衡的探测方案的核心在于模拟产生一个与尖峰噪声类似的噪声信号，将其与包含了雪崩信号的APD输出信号通过差模网络抵消，最终提取出有效的雪崩信号。这种技术已经可以实现非常高的尖峰噪声抑制比，但由于其最大工作频率仍局限在百兆赫兹水平，一般只适合特定较窄频域和较低工作频率的探测。而正弦门控技术可一举将门信号重复频率提高到吉赫兹水平，其关键在于APD中的等效结电容对正弦信号的响应不会产生入方波那样的复杂畸变，可根据噪声信号的频谱特性，直接使用滤波器除去尖峰噪声。这种方法电路简单，然而在滤去噪声的同时会将雪崩信号相应的频谱成分也滤掉，破坏了信号的完整性，多次滤波不仅降低雪崩信号的幅度，也会使得时间抖动变大，且由于低频的正弦波对应的脉冲宽度较宽不可调，在低频应用中会引起过量暗计数，造成严重的后脉冲效应，因此这种主要应用于高速单光子探测，工作频率接近于GHz或以上，可调节的工作频率范围有限。

发明内容

本发明是针对现在高速低噪声单光子探测存在的问题，提出了一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器，将超短脉冲门控低通滤波与容性平衡方案结合起来，使用超短脉冲信号作为门信号加载在APD上，采用容性平衡电路级联低通滤波器的方案实现高速高效的单光子探测。

本发明的技术方案为：一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器，单光子源作用于雪崩光电二极管，亚纳秒量级高速超短脉冲门信号同时与直流高压偏置耦合于雪崩光电二极管和一个与雪崩光电二极管电容特性相似的等效可调电容两端，雪崩光电二极管和等效可调电容分别得到尖峰噪声信号和与尖峰噪声相似的微分信号，两信号进入差分电路，共模尖峰噪声相互抵消，输出提取出的微弱的有效雪崩信号，再经放大器后送入高抑制比的低通滤波器，滤除尖峰噪声和放大器引入的噪声，实现单光子探测。

所述高速超短脉冲门信号由射频信号发生器产生方波信号作用于门脉冲产生电路生成。

所述门脉冲产生电路包括窄脉宽电路、电压调幅电路和后续放大电路，首先通过窄脉宽电路，即用高速比较器将脉宽压窄，窄脉宽电路输出信号经过电压调幅电路中的宽带宽、低相移的电压可调衰减器再送入放大电路，实现幅值、脉宽可调的门脉冲信号。

所述等效可调电容由高速二极管代替。