[发明专利]一种近红外单光子探测器

说明书

本发明公开一种近红外单光子探测器，属于量子保密通讯领域。该单光子探测器由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，制冷温控模块采用半导体制冷方式，单光子探测器采用放大鉴别的方案来抑制尖峰噪声。本发明所设计的单光子探测器采用雪崩光电二极管器件作为光敏器件，光信号损耗低、探测重复频率高，能够实现对近红外波段单光子信号的探测。

技术领域

本发明涉及量子保密通讯领域，具体指一种近红外单光子探测器。

背景技术

量子保密通讯技术能够实现信息的无条件安全传递，有望从物理上根本解决现有的信息安全问题，成为下一代信息加密的主要方式。量子保密通讯要解决的一个关键问题是单光子探测的问题，如何把单光子信号检测出来，是实现量子保密通讯的基础和关键。

目前，单光子探测器的实现方案有很多，包括光电倍增管、硅雪崩光电二极管、结合频率上转换的Si-APD(硅雪崩光电二极管)单光子探测器、超导单光子探测器和InGaAs/InP-APD (铟镓砷雪崩光电二极管)单光子探测器。光电倍增管、硅雪崩光电二极管作为单光子探测器已经非常成熟，其主要工作在可见光或紫外光波段，并且重复频率较低，仅能到MHz水平。结合频率上转换的Si-APD单光子探测器在近红外单光子探测应用中系统复杂，但需要强泵浦光，且可探测光谱频段极窄。而基于临界超导特性的超导单光子探测器(如超导纳米带状线SPD)虽然在暗计数、探测效率、重复频率等性能指标表现突出，但需mk的极端低温条件，在许多应用领域无法推广实用。

随着量子通讯技术、精密测距等超高精密前沿技术的发展，对近红外波段单光子探测器的需求急剧增加。对于基于光纤的量子通讯和光电传感而言，光纤的最低光学损耗波段为 1550nm，该波段为近红外波段，更低的光信号损耗，意味着更高的探测重复频率。

近红外单光子探测器主要有超导单光子探测器、上转换单光子探测器和InGaAs单光子探测器三种主要方式。其中，超导单光子探测器具有效率高、暗计数低、探测波长范围宽等众多优势，但其要求将超导器件制冷到mk水平，因此制冷设备复杂，成本高，不利于大规模商业应用；上转换单光子探测器能够将低探测效率的近红外光转换到高探测效率的可见光，然后采用高探测效率的Si单光子探测器进行探测。该方法虽然能够提高探测效率，但是需要较强的泵浦光，系统复杂，同样不利于大规模的商业应用。

因此，如何提升单光子探测器的重复频率、信噪比等性能参数就成为了下一代单光子探测技术需要解决的核心问题，也是单光子探测器研制的趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种近红外单光子探测器，以用检测单光子信号，以解决现有单光子探测器探测重复频率低、噪声大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案来如下：

一种近红外单光子探测器，其特征在于：所述单光子探测器由制冷温控模块、偏压模块、光电转换模块、取样电路、噪声抑制电路、信号提取电路和整形输出电路7个子模块构成，所述制冷温控模块由热管风冷散热器、制冷腔、温度变送器、PID控制器和制冷电源组成，所述制冷温控模块采用半导体制冷方式，所述光电转换模块将光电子信号转换为电信号，并由取样电路提取该电信号。

所述光电转换模块采用雪崩光电二极管APD。

所述制冷腔包括温度传感器和半导体制冷器，所述雪崩光电二极管APD位于制冷腔中，所述温度传感器与温度变送器连接，所述半导体制冷器与制冷电源连接，热管风冷散热器位于制冷腔一侧。

所述偏压模块采用高稳定直流电压模块作为光电转换模块的直流偏置电压，并采用低噪声、窄脉宽的门控电压产生电路作为光电转换模块的门控电路。

所述取样电路包括反向直流偏置电压和脉冲门口电压，二者一起构成反向偏置电压。