[发明专利]一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器

说明书

一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，包括雪崩光电二极管、直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元、温度控制电路单元以及FPGA电路单元，雪崩光电二极管的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元以及正弦门脉冲产生电路单元，雪崩光电二极管的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元。与现有技术相比，本发明通过采用APD的偏置电压为直流偏置电压和正弦门脉冲的叠加信号，在正弦门脉冲信号正半周期，APD的偏置电压大于雪崩击穿电压，由于雪崩效应产生雪崩信号，叠加到正弦门脉冲信号经过APD结电容后产生的噪声上，然后利用滤波放大整形电路单元滤除正弦门脉冲噪声信号，进一步的提高了单光子的探测效率。

技术领域

本发明涉及单光子探测技术领域，特别涉及一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器。

背景技术

单光子探测器在量子信息、激光测距、空间光通讯等领域得到广泛应用。雪崩光电二极管是一种利用雪崩效应原理探测单光子的常用元器件。雪崩光电二极管的雪崩淬灭方式有三种：无源抑制、有源抑制和门脉冲模式。相比与前两种方式，采用门脉冲模式检测单光子的优点是：能抑制门脉冲时间以外杂散光子的干扰，缩短雪崩时间，降低暗计数和提高光子计数率。门脉冲模式主要有矩形门脉冲、正弦门脉冲两种。由于APD(雪崩光电二极管)结电容的影响，门脉冲信号加载到APD后会在输出端产生噪声信号，如何有效抑制APD的噪声并提取APD雪崩信号是目前高速单光子探测器的主要问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，可以有效抑制由于APD结电容的影响，门脉冲信号加载到APD后在输出端产生的噪声信号，从而提高单光子探测效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器，包括雪崩光电二极管、直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元、温度控制电路单元以及FPGA电路单元，所述雪崩光电二极管的反向端分别连接直流偏置电压产生电路单元以及通过一电容连接正弦门脉冲产生电路单元，所述雪崩光电二极管的正向端通过一电容连接滤波放大整形电路单元并通过一电阻接地，所述直流偏置电压产生电路单元、正弦门脉冲产生电路单元、滤波放大整形电路单元以及温度控制电路单元均与FPGA电路单元相连。

优选地，所述正弦门脉冲产生电路单元包括依次连接的时钟选择器、延迟芯片、锁相环RF开关、衰减器以及射频放大器，所述时钟选择器的输入端可连接外部参考时钟信号或者内部参考时钟信号，所述射频放大器输出端通过电容C1连接雪崩光电二极管的反向端。

优选地，所述滤波放大整形电路单元包括低通滤波器、运算放大器、比较器、DAC、D触发器以及延时芯片，所述低通滤波器依次连接运算放大器以及比较器的一个输入端，所述DAC的输入端连接FPGA电路单元，DAC的输出端连接比较器的另一个输入端，所述比较器的输出端连接D触发器的时钟输入端，所述D触发器的输出端通过延时芯片连接自身的复位端。

优选地，所述滤波放大整形电路单元包括两级低通滤波器以及两级运算放大器，所述两级低通滤波器分别连接在两级运算放大器的两端，其中后端的低通滤波器连接比较器。

优选地，所述温度控制电路单元包括一温度控制芯片、热敏电阻、半导体制冷器、电阻网络以及DAC，所述温度控制芯片包括第一放大器Chop1与第二放大器Chop2，所述热敏电阻、半导体制冷器内置在雪崩光电二极管的封装中，所述热敏电阻经过电阻网络连接第一放大器Chop1；所述FPGA电路单元控制连接DAC，所述DAC连接第二放大器Chop2；第二放大器Chop2和外围电阻、电容组成的PID网络。

优选地，所述电阻网络包括电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述外围电阻、电容分别为电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电容C1、电容C2、电容C3。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：