[发明专利]一种集成滤波放大芯片的雪崩光电探测器及其驱动方法

说明书

本发明公开了一种集成滤波放大芯片的雪崩光电探测器，包括APD芯片、制冷器和雪崩信号处理芯片，所述APD芯片输出端与雪崩信号处理芯片的信号输入端电连接，雪崩信号处理芯片的输出端输出经处理后的雪崩信号，所述APD芯片与制冷器的冷端面近距离贴合，雪崩信号处理芯片用于抑制APD芯片输出的原始雪崩信号中门控信号和二次及以上谐波信号，对雪崩信号进行针对性滤波以及低噪声放大，雪崩信号处理芯片集成了滤波器以及低噪声放大器的功能，APD芯片、制冷器以及雪崩信号处理芯片整体封装于一个壳体中。本发明还公开了雪崩光电探测器的驱动方法。本发明的优点在于：集成滤波放大芯片的雪崩光电探测器尺寸和质量小，电路结构精简，功耗低以及探测效率稳定。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，更具体涉及一种集成滤波放大芯片的雪崩光电探测器及其驱动方法。

背景技术

随着光电探测技术的不断发展，单光子探测由于其高灵敏度的特点，被广泛应用于微弱信号的探测，从而推动了生物荧光探测、光谱测量、激光雷达、光量子信息处理、光纤传感等领域的进步。尤其是在量子通信领域，无论是量子随机数发生器还是量子密钥分发技术中，单光子探测器都起到至关重要的作用。目前，量子通信技术已逐渐走向实用化、商用化、集成化，因此，对单光子探测器的尺寸、功耗、稳定性等均提出了更进一步的要求。雪崩光电二极管(APD)是单光子探测器的核心器件之一，决定了探测器的灵敏度。通过降低APD工作环境的温度可使它的暗电流噪声降低从而极大地提高单光子探测器的灵敏度。

现有技术利用夹具将APD管固定在半导体制冷器(TEC)的制冷面上，APD管产生的热量通过管壳传递给TEC，并由TEC对整个APD管进行制冷。这种方式制冷效率较低，通常需要利用多级TEC，导致功耗较大。APD管工作时，需要通过外部驱动电路模块为APD提供偏置电流和动态驱动电压，由于APD输出的原始雪崩信号混杂了很强的门控和二次及以上谐波干扰信号，还需要雪崩检测读出电路模块处理APD输出的原始雪崩信号，提取出探测产生的光电流。雪崩检测读出电路模块首先需要采取针对性的滤波措施大幅度抑制背景中的门控信号干扰，同时尽量不改变雪崩信号幅度。接下来，还需要利用低噪声放大单元对滤波后的雪崩信号进行放大。当前探测器的驱动电路、滤波器、低噪声放大器单元均通过分立电路在PCB上级联实现，极大地增加了探测器在实际使用中的整体尺寸和重量。同时，多个分立电路的级联也会引入附加的噪声和串扰，为减小其负面影响，还需要额外为该部分电路加设屏蔽罩以改善电磁场空间耦合及数字控制信号串扰，增加了系统设计和制作的复杂性。另外，各电路均需要通过电源驱动，导致探测器驱动复杂、功耗高。

由于上述方案制冷效率低、功耗高、尺寸大，因此，相关研究人员提出了将TEC封装在雪崩光电二极管内的集成方案，公开号CN 107167251A的专利公开了一种集成制冷雪崩光电探测器的整体方案，如图1所示，该探测器包括雪崩光电二极管100、直流偏置电压产生电路单元200、正弦门脉冲产生电路单元300、滤波放大整形电路单元400、温度控制电路单元500以及FPGA电路单元600，该方案将热敏电阻、半导体制冷器内置在雪崩光电二极管100的封装中，在一定程度上提高了制冷效率。但是，仅实现APD与TEC的集成封装还不足以支撑探测器整体尺寸的小型化，该方案在实际使用中仍需要在APD封装结构外部连接以下多个分立电路单元才能正常工作：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，因此探测器的实际尺寸仍有两个数量级以上的改善空间。