一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器制造技術

本發明專利技術公開了一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，包括順次連接的正負雙極性窄脈沖產生電路，雙APD平衡電路，雪崩信號提取電路，雪崩信號鑒別輸出電路；所述雙APD平衡電路包括兩個串聯在一起具有相同結電容的雪崩光電二極管，在兩個雪崩光電二極管串聯后的兩端連接有正、負極性偏壓，兩個雪崩光電二極管與正負雙極性窄脈沖產生電路的兩個輸出端；所述雪崩信號提取電路包括將雪崩光電二極管產生的雪崩電流轉變為電壓的取樣電路，在取樣電路輸出端連接有將兩個雪崩光電二極管產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器，所述雪崩信號鑒別輸出電路的輸入端接在差分運算放大器的輸出端上。本探測器能較完美的抑制APD尖峰噪聲，達到很高的抑制比，實現較寬頻域和較高工作頻率的尖峰噪聲平衡抑制探測。

【技術實現步驟摘要】
一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器本專利技術涉及一種對稱雙Aro平衡的近紅外單光子探測器，屬于高速量子探測和靈敏光電探測領域。不斷提高光電探測的靈敏度是探索和揭示微觀世界規律以及發展重要前沿科學和高新技術的基點和關鍵。高效率單光子測控不僅是現代信息科學、量子技術、精密測量、超靈敏探測等前沿學科探索的迫切需要，也為量子調控、納米研究、蛋白質研究、和單量子態測控等重大科學研究提供重要技術與器件，進而與表面等離子激元學、紅外光子學、分子電子學等新興學科交叉正在持續地推動一系列高新技術的發展。靈敏光電測量已成為空天技術發展中最核心的基礎之一，在紅外信號的傳輸和探測、超靈敏激光測距與精確定位等領域也有重要的應用。另一方面，不斷提高光譜的檢測靈敏度，特別是借助單光子探測技術達到量子極限的超高靈敏度，已成為現代精密光譜學發展的一個重要的新方向，在需要微弱光信號檢測的光譜痕量分析與計量領域具有非常廣闊的應用前景如環境或工業污染監測、海關毒品爆炸品檢測與公安偵破靈敏痕量分析、煤礦礦井化工等安全生產靈敏預警、有毒危險氣體的靈敏檢漏、生物發光與生物分子的靈敏分析等，也可以用于實現單量子體系如單分子與單量子點超高靈敏度的光譜探測。單光子探測還在許多重要應用領域，諸如量子保密通信、量子通信網絡、量子黑客攻擊，量子時間同步、衛星激光雷達、紅外光電探測、量子調控、信息安全等方面有非常重要的應用。高效率低噪聲單光子探測技術已經成為發展超高靈敏度光電探測的核心。近紅外單光子探測器在通信波段的應用中，量子密鑰分發技術可能是最受關注的領域之一?，F在廣為使用的通信系統和加密方式，原則上都可以被竊聽，存在安全隱患。量子保密通信系統是一種以單光子或者糾纏光子對作為信息載體的絕對安全的保密通信系統。當信源與信宿之間用單光子傳輸信息時，由于長距離光纖信道中的損耗，會損失大量攜帶信息的單光子，為了實現實用化的量子密鑰分發技術，探測器需要有較高的探測效率、較低的暗計數率即信噪比高和較高的工作頻率提高成碼率。高速高效單光子探測同樣是發展線性光量子計算、量子保密通信網絡等量子信息技術不可或缺的關鍵儀器。近紅外單光子探測需要解決APD蓋格模式飽和增益耗盡載流子、單光子雪崩信號小于APD (雪崩光電二極管)結電容噪聲等瓶頸問題。為了實現單光子水平下的弱光信號檢測，雪崩光電二極管往往需要工作在飽和增益模式蓋格模式下以響應單個光子。然而，在如此高增益下會使得光生載流子迅速耗盡，短時間內難以恢復，限制了其工作頻率，而且無法實現光子數分辨探測。高增益同樣也帶來大噪聲，為降低噪聲常采取門限符合計數模式，其中，雪崩光電二極管結電容噪聲尖峰噪聲通常會淹沒光生載流子的雪崩信號。因此如何實現雪崩信號的穩定提取，是實現近紅外單光子探測的首要問題。通常雪崩光電二極管都是工作在門模式下的，即在不需要進行探測時Aro兩端的偏置電壓小于雪崩電壓，在需要探測的時候，在APD的陰極施加一個正電壓門脈沖，APD僅在門脈沖寬度的時間內處于蓋革模式，可以進行單光子探測。不同于連續探測模式，當光子到達的時間可預知時，門脈沖抑制電路是信噪比最高的探測方法，原因是APD僅在光子到達時開啟，處于蓋革模式，而在其他時刻AH)均處于關斷狀態，不會產生任何噪聲計數?；陂T脈沖抑制電路，可以實現GHz的探測速率，但是由于APD是容性器件，門脈沖會通過APD的結電容在取樣電阻上產生一個微分信號，我們稱之為尖峰噪聲，尖峰噪聲的幅度隨著重復頻率的提高而增大，成為掩蓋雪崩信號最主要的噪聲，如何抑制門脈沖產生的尖峰噪聲，提取雪崩信號也是近年來單光子探測重點研究的技術之一?；陂T脈沖工作模式的探測技術，其核心在于不斷減低微分噪聲的幅度以及提高雪崩信號的鑒別度，而目前主流的探測方法是采用平衡的思想，即生成一個與尖峰噪聲類似的共模信號，通過差模網絡抵消這個共模信號，從而提取出雪崩信號。雙Aro平衡方案，作為一種高效的探測方法，可以有效地模擬產生尖峰噪聲，達到較高的抑制比。實施中，該方案大多采用單極性偏壓的雪崩模式，加載于二個APD的電壓幅度與波形無法根據雙APD的差異調節，探測的噪聲平衡抑制受限于APD差異性能，加載于APD上的脈沖偏置電壓有限，無法獲得較高的探測效率以及較低的暗計數，方案的實施完全受限于無法根據Aro差異實現可調式平衡。另外，采用可調電容平衡方法，用可調電容替代Aro模擬產生尖峰噪聲，但是APD的結電容結構十分復雜，不同頻率電容響應不一樣，特別是在高頻區，APD的容性噪聲與加載其上的電壓幅度和頻率及波形密切相關，很難用電容模擬產生相同的容性響應效果，所以電容平衡的抑制比大多小于雙Aro平衡的抑制比，一般只適合特定較窄頻域和較低工作頻率的探測。本專利技術克服了上述技術的不足，提供一種對稱雙Aro平衡的近紅外單光子探測器，該探測器能較完美的抑制Aro尖峰噪聲，達到很高的抑制比，實現較寬頻域和較高工作頻率的尖峰噪聲平衡抑制探測。為實現上述目的，本專利技術采用了下列技術方案一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，包括順次連接的正負雙極性窄脈沖產生電路1，雙APD平衡電路4，雪崩信號提取電路5，雪崩信號鑒別輸出電路6 ;所述雙APD平衡電路4包括兩個具有相同結電容的第一雪崩光電二極管D3、第二雪崩光電二極管D4，在第一雪崩光電二極管D3的負極上連接有正極性偏壓2，第一雪崩光電二極管D3的負極與正負雙極性窄脈沖產生電路I的正極性窄脈沖輸出端連接，第一雪崩光電二極管D3的正極與第二雪崩光電二極管D4的負極連接，第二雪崩光電二極管D4正極與正負雙極性窄脈沖產生電路I的負極性窄脈沖輸出端連接；在第二雪崩光電二極管D4正極上連接有負極性偏壓3 ;所述雪崩信號提取電路5包括將第一雪崩光電二極管D3產生的雪崩電流轉變為電壓的第一取樣電路51以及將第二雪崩光電二極管D4產生的雪崩電流轉變為電壓的第二取樣電路52,在第一取樣電路51和第二取樣電路52的輸出端連接有將第一雪崩光電二極管D3、第二雪崩光電二極管D4產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器53，所述雪崩信號鑒別輸出電路6的輸入端接在差分運算放大器53的輸出端上。在第一雪崩光電二極管D3的負極與正極性偏壓2之間連接有第一限流電阻R21，在第二雪崩光電二極管D4正極與負極性偏壓3之間連接有第二限流電阻R41。所述正負雙極性窄脈沖產生電路I包括順次連接的時鐘脈沖發生器11，用于調脈寬的微分電路12，產生正負兩路對稱脈沖的高速ECL比較器13，使正負兩路脈沖保持一致脈沖與幅度加在第一雪崩光電二極管D3、第二雪崩光電二極管D4上的壓縮整形放大電路14。所述微分電路12包括電容C2和電阻R10，電容C2的一端與時鐘脈沖發生器11的輸出端連接，電容C2的另一端與電阻RlO的一端和高速ECL比較器13的正相輸入端連接，電阻RlO的另一端接地。所述高速ECL比較器13的反相輸入端由外部提供的精準電壓作為比較閾值，所述高速ECL比較器13上設有輸出正脈沖的第一輸出端Q和輸出負脈沖的第二輸出端β。 壓縮整形放大電路14包括第一寬帶放大器141和第二寬帶放大器142，第一寬帶放大器141的輸入端與高速ECL比較器13的第一輸出端Q之間連接有第一脈沖壓縮電路143，第二寬帶放大器142的輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種對稱雙APD平衡的近紅外單光子探測器，其特征在于包括順次連接的正負雙極性窄脈沖產生電路（1），雙APD平衡電路（4），雪崩信號提取電路（5），雪崩信號鑒別輸出電路（6）；所述雙APD平衡電路（4）包括兩個具有相同結電容的第一雪崩光電管D3、第二雪崩光電管D4，在第一雪崩光電管D3的負極上連接有正極性偏壓（2），第一雪崩光電管D3的負極與正負雙極性窄脈沖產生電路（1）的正極性窄脈沖輸出端連接，第一雪崩光電管D3的正極與第二雪崩光電管D4的負極連接，第二雪崩光電管D4正極與正負雙極性窄脈沖產生電路（1）的負極性窄脈沖輸出端連接；在第二雪崩光電管D4正極上連接有負極性偏壓（3）；所述雪崩信號提取電路（5）包括將第一雪崩光電管D3產生的雪崩電流轉變為電壓的第一取樣電路（51）以及將第二雪崩光電管D4產生的雪崩電流轉變為電壓的第二取樣電路（52），在第一取樣電路（51）和第二取樣電路（52）的輸出端連接有將第一雪崩光電管D3、第二雪崩光電管D4產生的容性噪聲進行差分消除的差分運算放大器（53），所述雪崩信號鑒別輸出電路（6）的輸入端接在差分運算放大器（53）的輸出端上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁崇智，曾和平，梁焰，
申請(專利權)人：廣東漢唐量子光電科技有限公司，
類型：發明
國別省市：