一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，包括：負(fù)反饋雪崩光電二極管NFAD及其外圍電路、制冷盒、甄別模塊、死時(shí)間設(shè)置模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及FPGA；其中：NFAD及其外圍電路分別通過甄別模塊和死時(shí)間設(shè)置模塊與FPGA相連，所述甄別模塊用于將雪崩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后發(fā)送給FPGA，所述死時(shí)間設(shè)置模塊用于將NFAD上的偏壓降低到雪崩電壓之下；NFAD及其外圍電路封裝在制冷盒中，該制冷盒通過溫度調(diào)節(jié)模塊與FPGA相連。該方案通過斯特林制冷機(jī)對負(fù)反饋雪崩光電二極管深度制冷，從而降低單光子探測器的暗計(jì)數(shù)，還通過在探測器件中單片集成薄膜電阻、并在每次探測事件后設(shè)置死時(shí)間等手段有效抑制探測器的后脈沖概率。

Ultra low noise free running single photon detector in near infrared band

The invention discloses a near infrared ultra low noise free operation of single photon detector, including: negative feedback avalanche photodiode NFAD and its peripheral circuit, refrigeration box, screening module, dead time setting module, temperature control module and FPGA; the NFAD and its peripheral circuit are respectively arranged through screening and dead time module and FPGA module is the screening module for the avalanche signal into the signal sent to the FPGA, the dead time setting module is used to reduce the bias of NFAD to the avalanche voltage; NFAD and its peripheral circuit package in the refrigeration box, the refrigeration box module is connected with FPGA through temperature regulation. Through the Stryn refrigerator negative feedback on the avalanche photodiode depth cooling, thereby reducing the dark count of single photon detector, pulse probability was inhibited by thin film resistors, monolithic integrated detector in the detector and die set at each time after the event detection method after.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器
本專利技術(shù)涉及單光子探測
，尤其涉及一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器。
技術(shù)介紹
近紅外波段單光子探測器是在該波段進(jìn)行超弱光探測必不可少的工具，在量子通信、量子信息科學(xué)、光時(shí)域反射計(jì)、單光子雷達(dá)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)單光子信號(hào)到達(dá)時(shí)間的不同分為門控模式和自由運(yùn)行模式，當(dāng)單光子信號(hào)是周期性的或者其到達(dá)時(shí)間可知時(shí)，可采用門控工作模式。而當(dāng)單光子信號(hào)是非周期性、到達(dá)時(shí)間也無法精確獲知時(shí)，此時(shí)單光子探測器就必須工作在自由運(yùn)行模式下。當(dāng)前，近紅外波段自由運(yùn)行模式單光子探測器主要有超導(dǎo)單光子探測器、上轉(zhuǎn)換單光子探測器和雪崩光電二極管單光子探測器。相比超導(dǎo)單光子探測器和上轉(zhuǎn)換單光子探測器，基于雪崩光電二極管的自由運(yùn)行單光子探測器具有成本低、體積小、制冷簡單等一系列優(yōu)勢。但是，因?yàn)樵肼?包括暗計(jì)數(shù)和后脈沖)巨大，現(xiàn)有雪崩光電二極管自由運(yùn)行單光子探測器難以在實(shí)際應(yīng)用中使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，可以降低暗計(jì)數(shù)，并有效抑制后脈沖概率。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，包括：負(fù)反饋雪崩光電二極管NFAD及其外圍電路、制冷盒、甄別模塊、死時(shí)間設(shè)置模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及FPGA；其中：NFAD及其外圍電路分別通過甄別模塊和死時(shí)間設(shè)置模塊與FPGA相連，所述甄別模塊用于將雪崩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后發(fā)送給FPGA，所述死時(shí)間設(shè)置模塊用于將NFAD上的偏壓降低到雪崩電壓之下；所述NFAD及其外圍電路封裝在制冷盒中，該制冷盒通過溫度調(diào)節(jié)模塊與FPGA相連。所述NFAD及其外圍電路包括：NFAD、第一電阻R1、第二電阻R2以及電容C1；其中，NFAD的陰極與第一電阻R1一端相連，第一電阻R1的另一端連接到直流偏置電壓P1；NFAD陽極與第二電阻R2相連，第二電阻R2另一端接地；當(dāng)有雪崩信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，雪崩電流在電阻R1上產(chǎn)生壓降，形成一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)；電容C1一端連接在NFAD陰極，另一端連接甄別模塊；雪崩信號(hào)通過電容C1交流耦合到甄別模塊的輸入端，進(jìn)而通過甄別模塊處理后傳輸至FPGA。所述甄別模塊包括；相互連接的低噪聲放大器A1與甄別器D1；所述低噪聲放大器A1將NFAD及其外圍電路輸出的雪崩信號(hào)放大后傳輸至甄別器D1，由甄別器D1將甄別輸出的LVTTL信號(hào)傳輸?shù)紽PGA處理。所述FPGA接收到甄別模塊傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)后，通過FPGA控制模塊進(jìn)行死時(shí)間設(shè)置，F(xiàn)PGA將輸出一個(gè)正向的、脈沖寬度由用戶設(shè)置的方波信號(hào)送入死時(shí)間設(shè)置模塊的輸入端，死時(shí)間設(shè)置模塊將接收到的信號(hào)放大后傳輸至NFAD陽極上；在方波信號(hào)持續(xù)的這段時(shí)間內(nèi)，NFAD的反偏電壓降低至雪崩電壓之下。所述制冷盒為斯特林制冷機(jī)冷端的制冷盒；溫度調(diào)節(jié)模塊通過安裝在NFAD附近的熱敏電阻讀取NFAD的實(shí)時(shí)溫度，并和設(shè)置的溫度進(jìn)行對比，通過FPGA內(nèi)的PID算法控制制冷機(jī)的制冷功率，將NFAD制冷到設(shè)置的溫度值。由上述本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案可以看出，通過使用斯特林制冷機(jī)對負(fù)反饋雪崩光電二極管深度制冷，從而降低單光子探測器的暗計(jì)數(shù)；此外，本專利技術(shù)使用的負(fù)反饋雪崩光電二極管在普通雪崩光電二極管的基礎(chǔ)上單片集成了一個(gè)阻值較大的薄膜電阻，采用被動(dòng)淬滅模式，從而可以大幅減少雪崩時(shí)間；同時(shí)，由于單片集成的設(shè)計(jì)，使得器件的寄生電容最小化，因此，可以有效抑制后脈沖效應(yīng)；另外，還通過死時(shí)間設(shè)置，在雪崩信號(hào)之后主動(dòng)降低NFAD兩端的偏壓至雪崩電壓之下并持續(xù)一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)延遲釋放的載流子不會(huì)引起雪崩效應(yīng)，從而進(jìn)一步減小了單光子探測器的后脈沖概率。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術(shù)實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術(shù)的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例提供的一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例提供的經(jīng)過低噪聲放大器A1放大后的雪崩信號(hào)波形圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例提供的超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器在-110℃時(shí)的暗計(jì)數(shù)—探測效率關(guān)系圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合本專利技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對本專利技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本專利技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本專利技術(shù)的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例提供的一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其主要包括：負(fù)反饋雪崩光電二極管(NFAD)及其外圍電路、制冷盒1、甄別模塊2、死時(shí)間設(shè)置模塊4、溫度調(diào)節(jié)模塊5以及FPGA3；其中：NFAD及其外圍電路分別通過甄別模塊2和死時(shí)間設(shè)置模塊4與FPGA相連，所述甄別模塊2用于將雪崩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后發(fā)送給FPGA3，所述死時(shí)間設(shè)置模塊4用于將NFAD上的偏壓降低到雪崩電壓之下；所述NFAD及其外圍電路封裝在制冷盒1中，該制冷盒1通過溫度調(diào)節(jié)模塊5與FPGA3相連。還參見圖1，所述NFAD及其外圍電路包括：NFAD、第一電阻R1、第二電阻R2以及電容C1；其中，NFAD的陰極與第一電阻R1一端相連，第一電阻R1的另一端連接到直流偏置電壓P1；NFAD陽極與第二電阻R2相連，第二電阻R2另一端接地；當(dāng)有雪崩信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，雪崩電流在電阻R1上產(chǎn)生壓降，形成一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)；電容C1一端連接在NFAD陰極，另一端連接甄別模塊；雪崩信號(hào)通過電容C1交流耦合到甄別模塊的輸入端，進(jìn)而通過甄別模塊處理后傳輸至FPGA3。還參見圖1，所述甄別模塊2包括；相互連接的低噪聲放大器A1與甄別器D1；所述低噪聲放大器A1將NFAD及其外圍電路輸出的雪崩信號(hào)放大后傳輸至甄別器D1，由甄別器D1將甄別輸出的LVTTL信號(hào)傳輸?shù)紽PGA3處理。如圖2所示，為經(jīng)過低噪聲放大器A1放大后的雪崩信號(hào)波形圖，通過低噪聲放大器A1放大處理使得雪崩信號(hào)達(dá)到甄別器D1可以甄別的幅度。本專利技術(shù)實(shí)施例中，所述FPGA3接收到甄別模塊2傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)(LVTTL信號(hào))后，通過FPGA3控制死時(shí)間設(shè)置模塊4進(jìn)行死時(shí)間設(shè)置，F(xiàn)PGA3將輸出一個(gè)正向的、脈沖寬度由用戶設(shè)置的方波信號(hào)送入死時(shí)間設(shè)置模塊4的輸入端，死時(shí)間設(shè)置模塊4將接收到的信號(hào)放大后傳輸至NFAD陽極上；在方波信號(hào)持續(xù)的這段時(shí)間內(nèi)，NFAD的反偏電壓降低至雪崩電壓之下。本專利技術(shù)實(shí)施例中，所述制冷盒為斯特林制冷機(jī)冷端的制冷盒；溫度調(diào)節(jié)模塊5通過安裝在NFAD附近的熱敏電阻讀取NFAD的實(shí)時(shí)溫度，并和設(shè)置的溫度進(jìn)行對比，通過FPGA內(nèi)的PID算法控制制冷機(jī)的制冷功率，將NFAD制冷到設(shè)置的溫度值。為了便于理解，下面進(jìn)行原理性的介紹。單光子探測器的暗計(jì)數(shù)是指在沒有光輸入時(shí)探測器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)產(chǎn)生的物理機(jī)制主要有熱激發(fā)和量子隧穿激發(fā)兩種。當(dāng)溫度較高時(shí)，熱激發(fā)效應(yīng)起主導(dǎo)作用，隧穿激發(fā)效應(yīng)可以忽略不計(jì)；當(dāng)溫度降低時(shí)，熱激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)逐漸減少，而隧穿激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)逐漸增多。因此，雪崩光電二極管單光子探測器存在一個(gè)具有最小暗本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，其特征在于，包括：負(fù)反饋雪崩光電二極管NFAD及其外圍電路、制冷盒、甄別模塊、死時(shí)間設(shè)置模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及FPGA；其中：NFAD及其外圍電路分別通過甄別模塊和死時(shí)間設(shè)置模塊與FPGA相連，所述甄別模塊用于將雪崩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后發(fā)送給FPGA，所述死時(shí)間設(shè)置模塊用于將NFAD上的偏壓降低到雪崩電壓之下；所述NFAD及其外圍電路封裝在制冷盒中，該制冷盒通過溫度調(diào)節(jié)模塊與FPGA相連。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，其特征在于，包括：負(fù)反饋雪崩光電二極管NFAD及其外圍電路、制冷盒、甄別模塊、死時(shí)間設(shè)置模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及FPGA；其中：NFAD及其外圍電路分別通過甄別模塊和死時(shí)間設(shè)置模塊與FPGA相連，所述甄別模塊用于將雪崩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后發(fā)送給FPGA，所述死時(shí)間設(shè)置模塊用于將NFAD上的偏壓降低到雪崩電壓之下；所述NFAD及其外圍電路封裝在制冷盒中，該制冷盒通過溫度調(diào)節(jié)模塊與FPGA相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近紅外波段超低噪聲自由運(yùn)行單光子探測器，其特征在于，所述NFAD及其外圍電路包括：NFAD、第一電阻R1、第二電阻R2以及電容C1；其中，NFAD的陰極與第一電阻R1一端相連，第一電阻R1的另一端連接到直流偏置電壓P1；NFAD陽極與第二電阻R2相連，第二電阻R2另一端接地；當(dāng)有雪崩信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，雪崩電流在電阻R1上產(chǎn)生壓降，形成一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)；電容C1一端連接在NFAD陰極，另一端連接甄別模塊；雪崩信號(hào)通過電容C1交流耦合到甄別模塊的輸入端，進(jìn)而通過甄別模塊處理后傳輸...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張軍，余超，劉乃樂，潘建偉，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽,34