[发明专利]一种正弦门控探测器雪崩信号处理系统及处理方法

说明书

本发明公开了一种正弦门控探测器雪崩信号处理系统及处理方法，所述系统用以对正弦门控探测器中的单光子雪崩二极管的输出信号进行处理，包括正弦门控探测器雪崩信号处理电路，所述正弦门控探测器雪崩信号处理电路的带阻滤波器采用多级微带线滤波器级联，多级微带线滤波器直接印制在重分布层基板上，所述正弦门控探测器雪崩信号处理电路的其他器件封装在所述重分布层基板上。本发明的优点在于：通过带阻滤波器采用微带线带阻滤波器设计，微带线带阻滤波器直接做在重分布层基板中，并在基板上将其他电路器件部分进行互联，减小体积，避免了众多无源器件使用所带来的体积问题、成本问题、稳定性问题和一致性问题，提升系统性能。

技术领域

本发明涉及单光子探测和量子保密通信领域，更具体涉及一种正弦门控探测器雪崩信号处理系统及处理方法。

背景技术

量子保密通信通过传输单光子或者纠缠光子，实现量子状态的传递，从而完成量子保密通信。目前，基于单光子实现的量子通信技术，通常是指量子密钥分发(QKD，QuantumKey Distribution)技术，原理上，对QKD过程的任何窃听都必然会被发现。因此，QKD过程所产生的密钥具有理论上的无条件安全性。在如此重要的技术实现过程之中，单光子探测技术是不可或缺的重要技术之一。单光子探测技术广泛应用于量子密钥分发、光纤通信、光纤传感、激光雷达、荧光成像等领域，单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon AvalancheDetector)是目前最常用的单光子探测器之一，从其工作模式上可以分为自由运行模式(Free Running)和门控模式(Gated Mode)。

自由运行模式SPAD最大的优点就是无需知道光子到达时间即可进行光子探测，因为不知道光子到达时间，所以SPAD一直处于盖革模式(Geiger Mode)以便可以随时探测入射光子。然而，其最大的问题在于，SPAD一直处于盖革模式，导致其使用寿命被极大缩短，且运行中暗计数过大，饱和计数率偏低。

为了克服上述这些缺点，实际使用中通常采用门控模式。该模式同样需要使SPAD工作在盖革模式，但不同的是，该模式使SPAD周期性的处于盖革模式。通过同步光子的到达时间，在光子到达时提升SPAD偏置电压，在雪崩发生后下一光子到达前淬灭该雪崩过程，进而保证SPAD对单光子信号的连续探测，提升饱和计数率，并降低暗计数概率。门控模式的控制信号有多种形式，其中，由于正弦门控模式的电路简单、速度较快、频率较高，并且使用正弦波作为门信号输入，使得探测器输出信号中的噪声基频成分还是相同频率的正弦噪声信号等因素而被广泛使用。中国专利公开号CN 103411691 A，专利名称为一种频率可调的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，其正弦门控探测器雪崩信号的处理的基本过程如图1所示，SPAD发生雪崩后，输出信号经过低通滤波器的作用，其中包含着的与门控信号同频率的正弦噪声信号被大幅抑制，而比较微弱的雪崩信号因具有较宽的频谱，故低通滤波器对其衰减较小；随后经过高速宽带放大器放大后，由阈值甄别器甄别，并输出为与后端计数器电路相匹配的脉冲信号。但是，该方法最大的缺点在于信号输出后就立刻使用低通滤波器进行噪声抑制，使得雪崩信号中的高频成分也被抑制，信号幅度降低，时间抖动增加，对于门控频率较低的场合，低通滤波器会滤除雪崩信号的大部分频谱成分，对高速宽带放大器的低噪声要求变高，不利于雪崩信号的甄别。