[发明专利]高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统

说明书

本发明公开了一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，其特征在于，包括：SPAD及其外围电路模块1、甄别与整形模块2、延时与放大模块3以及主动淬灭与恢复模块4；其中：SPAD及其外围电路模块1提取雪崩信号输入至甄别与整形模块2，甄别与整形模块2进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块3，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块4，由主动淬灭与恢复模块4输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。该系统可以同时提高单光子探测器的探测效率与计数率。

技术领域

本发明涉及单光子探测、量子通信技术领域，尤其涉及一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统。

背景技术

半导体单光子探测器是进行超弱光探测必不可少的工具，在许多领域有着广泛的应用需求。半导体单光子探测器的基本工作原理是：单光子雪崩光电二极管(SPAD)工作在盖革模式下，即SPAD的反向偏置电压超过其雪崩击穿电压。当入射的单光子被吸收后，会产生一对载流子，由于碰撞电离效应，载流子形成雪崩效应并最终输出宏观电流。后端淬灭电路在探测到雪崩信号后会输出探测信号，同时将电路复位以用于探测下一个光子。探测器探测效率主要由耦合效率、吸收效率和雪崩效率决定。耦合效率是指光子从光源到达SPAD吸收层的概率，由光纤耦合效率或自由空间耦合效率、SPAD入射端面反射系数、连接器损耗等多种因素决定；吸收效率有时也称为量子效率，从物理机制上讲，吸收效率主要取决于吸收层的厚度；雪崩效率指载流子引起雪崩效应的概率，主要取决于SPAD的过压，即反向偏置电压高于雪崩击穿电压的部分。

普通商用单光子探测器由于探测技术的限制，为满足暗计数率、后脉冲概率的平衡要求，会降低SPAD工作时的过压，并设置较长死时间，导致探测器探测效率和计数率的潜能未能完全发挥，无法满足一些需要高探测效率、高计数率的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，可以同时提高单光子探测器的探测效率与计数率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统，包括：SPAD及其外围电路模块1、甄别与整形模块2、延时与放大模块3以及主动淬灭与恢复模块4；其中：

SPAD及其外围电路模块1提取雪崩信号输入至甄别与整形模块2，甄别与整形模块2进行甄别与整形后得到计数信号；计数信号输入至延时与放大模块3，后分为两路，一路经过运算放大器后得到主动淬灭信号，另一路经过延时设置死时间以及整形得到主动恢复信号；所述主动淬灭信号与主动恢复信号分别输入至主动淬灭与恢复模块4，由主动淬灭与恢复模块4输出的电平信号接入SPAD的阳极，实现对SPAD的高速淬灭与恢复。

所述SPAD及其外围电路模块1包括：第一低噪声直流偏置电源P1、SPAD、限流电阻R1、采样电阻R2和温度控制芯片T1；其中：

所述SPAD的阴极与第一低噪声直流偏置电源P1相连，SPAD的阳极与限流电阻R1一端相连，限流电阻R1的另一端与采样电阻R2一端相连，采样电阻R2另一端接地；温度控制芯片T1与SPAD自身集成的半导体制冷TEC和热敏电阻相连，控制雪崩光电二极管工作的温度。

所述甄别与整形模块2包括：

依次连接的高速甄别器D1和第一脉冲整形模块M1；所述高速甄别器D1对输入的雪崩信号进行甄别，输出数字信号；所述第一脉冲整形模块M1对数字信号进行整形，得到计数信号。

所述延时与放大模块3包括：

一路低噪声放大器A1；另一路依次连接的精密延时器DL1与第二脉冲整形模块M2；其中：

一路低噪声放大器A1将计数信号放大，得到主动淬灭信号；