[发明专利]一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置，包括：第一电阻，所述第一电阻的一端接收直流偏压；雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管的阴极与所述第一电阻的另一端连接；第一电容，所述第一电容的一端接收脉冲电压，另一端与所述雪崩光电二极管的阴极连接；第二电容，所述第二电容连接在所述雪崩光电二极管的阳极和接地端之间；以及第二电阻，所述第二电阻与所述第二电容并联连接在所述雪崩光电二极管的阳极和接地端之间。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域。具体而言，本发明涉及一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置及方法。

背景技术

单光子探测技术在量子密钥分发系统、高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。

在单光子探测的实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管(APD) 作为探测器件的方案。当APD的工作电压逐渐逼近雪崩击穿电压时，理论上雪崩倍增因子M将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M到1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即当APD工作电压高于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子M才能大到足以产生一个巨观的脉冲，用于单光子的甄别。在盖革模式下，必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩持续下去，探测器无法接收下一个光子。抑制雪崩电流的方法主要有三种：被动抑制模式、主动抑制模式和门控抑制模式。目前—般釆用门控模式抑制雪崩。

门控模式的基本原理如图1所示，首先给APD加一个直流偏压HV(小于APD的雪崩电压)，然后在直流偏压基础上通过耦合电容Cs加一个门电压，这个门电压的幅度值加上直流偏压HV大于APD的雪崩电压。这种情况下在门的前沿到了以后，APD两端的电压大于雪崩电压，处于探测光子模式，此时可以对光子响应，并产生雪崩信号；在门的后沿来了以后，APD两端的电压低于雪崩电压，此时雪崩被抑制，不能对光子响应，即使光信号到达也不发生雪崩。周期性的，下一个门脉冲又可以让APD进入单光子探测模式。用门脉冲淬灭的好处是，可以让信号光子和门脉冲进行同步，在光子到来的时候，才施加门脉冲，APD开始响应，这样可大大的降低暗计数率。

门控模式能够很好地减少暗计数和抑制后脉冲问题，但是，由于高速的门控脉冲通过APD的结电容耦合到负载电阻上，在门控脉冲的上升和下降沿分别产生正负的电尖峰。图2示出电容的微分效应。在用门脉冲淬灭的方式探测单光子时，因为门脉冲的前沿和后沿时间很短(通常约1ns)，而APD本身有电容，当窄的门脉冲加到APD上会产生很强的尖峰噪声，这个噪声的幅度远大于雪崩信号本身，完全把雪崩信号淹没。

为了消除门控噪声的影响，本领域的技术人员提出了很多种方案，主要有：双平衡方法、电容平衡方法、自差分平衡方法、积分门控法等。

几种平衡方法的本质都是为了找到一个和尖峰噪声相似的参考信号用来做减法，从而提取出雪崩信号。图3示出了通过平衡法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的波形图(参见“基于InGaAs_InPAPD高速单光子探测方法及应用”，华东师范大学博士论文，梁焰)。如图3所示，第一行的两个信号波形是从雪崩光电二极管的阳极处接收到的信号，第二行波形图是无光子的参考信号，通常用无光子照射时的匹配电路产生，第三行是匹配结果，通常用接收到的信号与参考信号做减法得到，图中显示出了有无雪崩发生时的信号波形。

一般来说，为了有效的提取雪崩信号，需要将尖峰信号抑制到-20dB以下，这点实现起来非常困难。为了能够达到这个指标，通常每台仪器都需要仔细人为精细调整(因为每台仪器杂散参数不同)，这就给大规模生产带来了很大的难题。图4是平衡方法的典型示例。差分运算器和脉冲甄别器依次连接在APD 的阳极。

积分门控法是将雪崩电流进行累积，实现雪崩电荷Q的测量，具体实现上是通过电容对雪崩电流的积分来完成的，再利用关系Q＝CU，测量电容两端的电压即可。由于雪崩完毕后，电容两端的电压U是一状态量，可以在测量时间上错开尖峰噪声，从而避开了尖峰噪声的影响。