[发明专利]超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及高速量子探测领域，具体涉及一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统。

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/InPAPD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/InPAPD的高速低噪声单光子探测势在必行。

InGaAs/InPAPD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。

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

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，用于实现高效高速的单光子探测。

本发明提供了一种超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统，具有这样的特征，包括：门脉冲信号发生装置，用于产生幅值、脉宽可调的门脉冲信号；单光子产生装置，用于产生单光子源；容性平衡电路，用于提取初始雪崩信号；低通滤波电路，对初始雪崩信号进行滤除得到有效雪崩信号；以及信号处理显示电路，与低通滤波电路连接，用于对有效雪崩信号进行处理并显示有效雪崩计数，其中，容性平衡电路具有：雪崩信号产生模块，至少具有雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的一端加载有耦合后的门脉冲信号以及直流偏置电压，该雪崩电光二极管与单光子产生装置连接，在单光子源的作用下，产生湮没于尖峰噪声信号中的原始雪崩信号；模拟电容模块，用于模拟雪崩光电二极管的电容特性，一端加载有耦合后的门脉冲信号以及直流偏置电压；差分放大模块，与雪崩信号产生模块以及模拟电容模块分别连接，用于将尖峰噪声进行差分、放大得到初始雪崩信号。

在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，门脉冲信号发生装置具有信号发生器以及门控信号产生电路，该门控信号产生电路具有用于压窄脉宽的高速比较器、电压可调衰减器以及放大器。

在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，门脉冲信号的脉宽最窄可小于1纳秒。

在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，低通滤波电路为低通滤波器，该低通滤波器的截止频率范围为700MHz～1GHz。

在本发明提供的超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测系统中，还可以具有这样的特征：其中，信号处理显示电路具有放大有效雪崩信号的放大器、模数转换器以及显示元件。