一种低时间抖动的单光子探测器 |
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| 申请号 | CN201710240460.5 | 申请日 | 2017-04-13 | 公开(公告)号 | CN107024289A | 公开(公告)日 | 2017-08-08 |
| 申请人 | 华中师范大学; | 发明人 | 吴青林; 姜倩文; 林楚明; 方森智; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种低时间抖动的单 光子 探测器，包括单光子 信号 探测模 块 (1)、 雪 崩信号提取模块(2)和雪崩 信号处理 模块(3)；单光子信号探测模块(1)包括工作在 门 控模式下的雪崩光电 二极管 APD；雪崩信号处理模块(3)为 限幅 放大器 (8)， 限幅放大器 (8)的输入端与雪崩信号提取模块(2)的输出端相连，限幅放大器(8)的工作带宽大于所述雪崩 电信号 的带宽；限幅放大器(8)的 输入信号 门限值大于所述雪崩信号提取模块(2) 输出信号 中的本底噪声的幅度；限幅放大器(8)将所述雪崩电信号转换成 数字信号 输出；本装置简单可靠，大大降低了探测系统的时间抖动，同时不影响系统的探测效率、暗计数率等性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种低时间抖动的单光子探测器，包括： |
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| 说明书全文 | 一种低时间抖动的单光子探测器技术领域背景技术[0002] 单光子探测在光谱分析、生物发光、精密测量、量子信息等领域有着广泛的应用。当前的单光子探测方案中，雪崩光电二极管APD因为探测效率较高、响应速度快、体积小、成本低而成为最为实用的单光子探测器件。 [0003] APD用于单光子探测时，须工作于盖革模式，即APD的反向偏置电压大于其雪崩电压。在盖革模式下，APD吸收单光子后产生的载流子会触发所谓的“自持雪崩”过程，光电流被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的雪崩电信号。由于自持雪崩是一个正向反馈过程，一旦发生就不会自行猝灭。为保护APD，并使其可以连续探测单光子，必须在雪崩发生后及时猝灭雪崩过程。常见的雪崩猝灭的方法有：主动猝灭，被动猝灭和门控模式。主动猝灭和被动猝灭可以探测未知时刻到达的光子，但是这两种方法的猝灭时间较长，因此探测速率通常小于兆赫兹。门控模式可以减少雪崩猝灭的时间，其原理是APD的反向直流偏置电压小于雪崩电压，只有单光子脉冲到达时，才通过一个门控脉冲使APD的偏置电压大于雪崩电压，雪崩过程随着门控脉冲的撤销而迅速猝灭，从而在保证探测效率的前提下，大大提高探测速率并降低暗计数率。 [0004] 在门控模式下，雪崩电信号的幅度是随机起伏的，引起雪崩电信号幅度起伏的原因很多，比如当激光器工作在单光子模式时，每个光脉冲包含的光子数少，光子到达探测器的时间服从泊松分布致使雪崩响应偏离门信号中心位置，导致雪崩电信号的幅度随机起伏。此外，光子到达APD器件吸收面的位置不同，产生载流子的初始能量不确定也将使雪崩电信号的幅度随机起伏。现有的单光子探测器的雪崩信号处理模块直接将提取的雪崩电信号输入到比较器，与固定的阈值电平进行比较，从而将雪崩电信号转化为数字信号作为探测器的输出。由于雪崩电信号幅度随机起伏和本底噪声的存在，阈值电平必须大于本底噪声的幅度，因此输出数字信号的前沿会随着雪崩电信号幅度的起伏而前后移动，这一时间变化量就称为探测器的时间抖动，如附图3所示。 [0005] 在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套装置的测量精度，现有的单光子探测器的时间抖动一般都比较大，难以满足测距要求。 发明内容[0006] 本发明的目的是为了要解决上述背景技术的不足，提供一种能大大降低探测系统的时间抖动，同时不影响系统的探测效率、暗计数率等性能的低时间抖动的单光子探测器。 [0007] 本发明的技术方案为：一种低时间抖动的单光子探测器，包括：用于将单光子信号转换为雪崩电信号的单光子信号探测模块1；用于将所述雪崩电信号从所述单光子信号探测模块1输出的噪声中提取出来的雪崩信号提取模块2；和用于将所述雪崩电信号转换成数字信号的雪崩信号处理模块3；其特征在于：所述单光子信号探测模块1包括工作在门控模式下的雪崩光电二极管APD；所述雪崩信号处理模块3为限幅放大器8，所述限幅放大器8的输入端与雪崩信号提取模块2的输出端相连，所述限幅放大器8的工作带宽大于所述雪崩电信号的带宽；所述限幅放大器8的输入信号门限值大于所述雪崩信号提取模块2输出信号中的本底噪声的幅度；所述限幅放大器8将所述雪崩电信号转换成数字信号输出。 [0008] 优选的，可在所述单光子信号探测模块1的雪崩光电二极管APD的两端反向加载直流电压VA，所述直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB；幅度为Vg的门控信号通过隔直电容C输入到所述雪崩光电二极管的阴极，所述Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB，所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块1的输出端。 [0010] 优选的，所述门控信号可为正弦信号，所述雪崩信号提取模块2可包括串联的低通滤波器和低噪声射频小信号放大器，所述低通滤波器的截止频率小于所述门控信号的频率且大于所述雪崩电信号的带宽。 [0011] 本发明的工作原理：本发明采用工作在门控模式下的雪崩光电二极管APD将单光子信号转换为雪崩电信号输出给雪崩信号提取模块2，所述雪崩光电二极管APD输出的信号中还包含门控噪声，所述雪崩信号提取模块2将所述雪崩电信号从门控噪声中提取出来后输出给雪崩信号处理模块3，所述雪崩信号处理模块3利用限幅放大器代替传统的比较器，将输入的所述雪崩电信号转换成数字信号输出。 [0012] 由于输入所述雪崩信号处理模块3的信号中不可避免的包括一定量的本底噪声，传统技术方案采用的比较器，其阈值电平必须大于本底噪声的幅度，引入的时间抖动如附图3(b)所示。 [0013] 限幅放大器常用在光通信的光接收机部分。限幅放大器接收呈现二进位数据流的输入信号、以高增益放大输入信号至饱和状态，并输出呈现二进位数据流的实质二阶输出信号。限幅放大器作为光接收机部分的关键电路，一方面满足较高的增益和较大的带宽的要求，另一方面满足在较大的输入动态范围内，输出摆幅基本保持不变，为后续的时钟恢复电路和数据判决电路提供一个稳定的工作电平。 [0014] 本发明的雪崩信号提取模块2输出的雪崩电信号与光接收机中输入限幅放大器的信号相似，因此本发明的雪崩信号处理模块3采用限幅放大器。设置限幅放大器的输入信号门限值略大于本底噪声的幅度，使本底噪声不被限幅放大器放大。所述限幅放大器输出的数字信号的时间抖动由所述限幅放大器器件的确定性抖动参数决定，如图4(b)所示。 [0015] 本发明的优点效果：雪崩信号处理模块3采用限幅放大器将幅度随机起伏的雪崩电信号转化为上升时间一致、幅度相等的数字信号，与传统的比较器相比，可以大幅降低由于雪崩电信号幅度起伏引起的时间抖动。此外，本发明简单可靠，对于所有工作于门控模式的单光子探测器都适用，具有较好的通用性，是减小单光子探测系统时间抖动的可行方案。 附图说明[0017] 图2为本发明实施例的电路原理图； [0018] 图3为采用比较器的雪崩信号处理模块3的信号处理示意图； [0019] 图4为本发明实施例的雪崩信号处理模块3的信号处理示意图； 具体实施方式[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 [0021] 图1所示的低时间抖动的单光子探测器，包括单光子信号探测模块1，雪崩信号提取模块2和雪崩信号处理模块3。所述单光子信号探测模块1用于将单光子信号转换为雪崩电信号。所述单光子信号探测模块1包括雪崩光电二极管APD，将直流电压VA反向加载在所述雪崩光电二极管的两端，所述直流电压VA小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压VB；幅度为Vg门控信号从门控信号输入端1.2通过隔直电容C输入到所述雪崩光电二极管的阴极，所述门控信号为频率为fg的正弦信号，所述Vg、VA和VB满足VA+Vg>VB；将激光器产生的脉冲光经过衰减作为单光子源，将单光子源耦合至带尾纤的雪崩光电二极管APD。所述雪崩光电二极管的阳极为所述单光子信号探测模块1的输出端。 [0022] 本实施例所述雪崩光电二极管APD工作在正弦门控模式下，由于APD结电容的存在，结电容耦合产生的噪声会严重影响到单光子信号探测模块1的输出信噪比，干扰雪崩电信号的正确提取。使用正弦门控信号驱动雪崩光电二极管APD时，结电容耦合噪声主要分布在与正弦门控信号同频的基频和高次谐波分量上，所述结电容耦合噪声为门控噪声。因此本实施例中，所述单光子信号探测模块1输出的信号由雪崩电信号和门控噪声信号叠加组成，其中门控噪声信号很强，雪崩电信号强度很弱，且该微弱的雪崩电信号出现在门控噪声信号的过零点处。 [0023] 所述雪崩信号提取模块2用于将所述雪崩电信号从所述门控噪声中提取出来，所述单光子信号探测模块1的输出端与所述雪崩信号提取模块2的输入端相连。所述雪崩信号提取模块2可由中心频率分别为fg、2fg、3fg的带阻滤波器4、5、6和低噪声射频小信号放大器7相互串联组成，如图2所示，其中，带阻滤波器4、5、6和低噪声射频小信号放大器7的位置可以任意互换。所述雪崩信号提取模块2也可由低通滤波器和低噪声射频小信号放大器相互串联组成，所述低通滤波器的截止频率小于所述正弦门控信号的频率fg且大于所述雪崩电信号的带宽。 [0024] 所述雪崩信号处理模块3用于将所述雪崩电信号转换成数字信号输出，所述雪崩信号提取模块2的输出端与所述雪崩信号处理模块3的输入端相连。输入所述雪崩信号处理模块3的信号由雪崩电信号和本底噪声信号叠加组成，如图3(a)和图4(a)所示。 [0025] 传统的技术方案中，所述雪崩信号处理模块3为比较器，所述比较器的阈值电平大于本底噪声的幅度，引入的时间抖动Δt1如附图3(b)所示。 [0026] 本实施例的雪崩信号处理模块3采用限幅放大器8，如图2所示。所述限幅放大器8的工作带宽大于所述雪崩电信号的带宽。所述限幅放大器8的输入信号门限值略大于所述本底噪声的幅度，使本底噪声不被限幅放大器放大。所述限幅放大器8输出的数字信号的时间抖动Δt2由所述限幅放大器器件的确定性抖动参数决定，如图4(b)所示。因限幅放大器以高增益放大输入信号至饱和状态，其输出的数字信号的时间抖动Δt2远小于传统的比较器输出的数字信号的时间抖动Δt1。 [0027] 单光子探测器的时间抖动程度在其应用中具有重要意义，比如在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套装置的测量精度，将本实施例所述低时间抖动的单光子探测器应用于激光测距装置可大幅提高测距精度。 [0028] 本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。 |
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