双门控雪崩光电二极管单光子探测方法
专利汇可以提供双门控雪崩光电二极管单光子探测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及保密通讯类，具体的讲是涉及一种反向 电压 门 与探测门分离的双门控 雪 崩光电 二极管 单 光子 探测方法，该方法通过使用较宽的门 偏压 ，使得门偏压前、后沿的微分 信号 和雪崩信号分离，即雪崩信号远离尖峰，因而在单光子探测时信号很容易被捕获，其优点是，门偏压与光子信号不重叠，雪崩信号远离门偏压前、后沿的尖峰，很容易捕获信号，对环境变化不敏感，工作稳定，成本低，对于光子到达时间有微小变化的情况下，只需扫描探测门，而无须改变APD脉冲偏压的工作 频率 ，大大改善了工作 稳定性 。，下面是双门控雪崩光电二极管单光子探测方法专利的具体信息内容。
1、一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其特征在于该方法是首先 将一个直流高电压源通过一个与雪崩光电二极管APD串联的限流电阻为 APD提供一个稳定的偏置电压，该电压略低于雪崩点电压，当光子到来 时，脉冲电源通过一个耦合电容将一个足够宽的脉冲电压，加载到雪崩 光电二极管的阴极，并与原偏置电压发生叠加，使得在脉冲电压有效期 间偏置电压大于雪崩点电压(即处于革盖状态)，雪崩二极管开启工作， 形成门控偏压gate1，门控偏压gate1的前、后沿将在输出信号中引起 一正一负的尖峰信号，而正负尖峰信号之间的平缓区域就是可用于捕捉 光子雪崩信号的时间段，在这一区域内再通过一个很窄的取样探测门 gate2将光子信号取出。
2、根据权利要求1所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其 特征在于所述的门控偏压gate1宽于探测门gate2。
3、根据权利要求1所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其 特征在于所述的足够宽的脉冲电压指的是能够保证该偏压脉冲前沿即 上升沿和后沿即下降沿所对应的尖峰与光子信号即雪崩信号在时间上 有效分离，以便能够通过一个独立的探测门将光子信号即雪崩信号取 出。
4、根据权利要求1所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其 特征在于所述的足够宽的脉冲电压指的是脉冲宽度的典型值为：50-200 纳秒、5.000±0.005V的脉冲电压。
5、根据权利要求1所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其 特征在于所述的探测门gate2在门控偏压gate1时间内可以扫描，从而 使探测时间可以微调。
6、根据权利要求1或5所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方 法，其特征在于所述的探测门gate2在门控偏压gate1时间内可以扫描 是将门控偏压的前沿触发可控延时器产生一个延时td，在td时间后，“探 测门产生”电路产生一个探测门用于捕获对应的光子雪崩信号，由于可 控延时器的延时量可调，而实现探测门在门偏压内的扫描。
7、根据权利要求1所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方法，其 特征在于当每次仅有一个光子入射，而有多个达到时间时，在探测门 gate1时间内可以放置多个探测门gate21gate22gate23，......。
8、根据权利要求1或7所述的一种双门控雪崩光电二极管单光子探测方 法，其特征在于所述的在探测门gate1时间内可以放置多个探测门 gate21gate22gate23，......，是通过多个可控延时器并联实现，即门控 偏压gate1的前沿触发多个并联的可控延时器产生多路延时td1， td2，...tdn，在每个延时结束后，“探测门产生”电路都会产生一个探测 门用于捕获对应的光子雪崩信号。
技术领域
本发明涉及保密通讯类，具体的讲是涉及一种反向电压门与探测门分离的 双门控雪崩光电二极管单光子探测方法。
背景技术
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明首先将一个直流高电压源通过一个与雪崩光电二极管APD串联的限 流电阻为APD提供一个稳定的偏置电压，该电压略低于雪崩点电压，此时雪崩 光电二极管不工作，当光子到来时，脉冲电源通过一个耦合电容将一个足够宽 的脉冲电压，加载到雪崩光电二极管的阴极，并与原偏置电压发生叠加，使得 在脉冲电压有效期间偏置电压大于雪崩点电压(即处于革盖状态)，雪崩二极 管开启工作，形成“门偏压”，由于其存在结电容，门偏压的前、后沿将在输 出信号中引起一正一负的尖峰信号，正负尖峰信号之间的平缓区域就是可用于 捕捉光子雪崩信号的时间段，在这一区域，门偏压的前沿所产生的尖峰与雪崩 信号不会重叠，于是，雪崩信号即光子信号与门脉冲有效地分离了，然后再通 过一个很窄的取样探测门就可以将光子信号取出。
上述一个足够宽的脉冲电压指的是能够保证该偏压脉冲前沿(上升沿)和 后沿(下降沿)所对应的尖峰与光子信号即雪崩信号在时间上有效分离，以便 能够通过一个独立的探测门(示例电路见图5)将尖峰与雪崩信号分离。但过 于宽的脉冲门将会由于耦合电容的作用而导致偏压幅度下降明显，因此脉冲宽 度应当适当，典型值为50-200ns、5.000±0.005v。
本发明的优点是，门偏压与光子信号不重叠，雪崩信号远离门偏压前、后 沿的尖峰，很容易捕获信号，对环境变化不敏感，工作稳定，成本低，对于光 子到达时间有微小变化的情况下，只需扫描探测门，而无须改变APD脉冲偏压 的工作频率，大大改善了工作稳定性。
附图概述
附图1为现有技术的偏压门与探测门合一的单门控方案示意图；
附图2为本发明技术方案双门控电路原理及波形示意图；
附图3为门偏压前后沿的尖峰和雪崩信号的实测波形示意图；
附图4为改变探测门的相对位置用于对光子到达时间微小改变的探测；
(1)光子到达时间固定的波形示意图；
(2)通过改变探测门与门偏压前沿的延时td可实现扫描探测波形示 意图；
(3)在门偏压内设置多个探测门以探测有固定到达时间的多路光信 号波形示意图；
附图5为本发明双门控APD单光子雪崩信号处理原理图；
附图6为本发明双门控APD雪崩信号处理时序图；
附图7为本发明实施例示意图；
附图8探测门与门偏压前沿的延时控制示意图；
附图9为通过多个可控延时器并联产生多探测门的方案示意图；
具体技术方案
以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明， 以便于同行业技术人员的理解：
如图2-9所示，本实施例是一种反向电压Vr门gate1和探测门gate2分离 的“双门控”APD工作模式，(在InGaAs APD构成的红外单光子探测器中)门 控偏压(gate1)与探测门(gate2)分离，gate1＞gate2。
本实施例所采用的方法如图2所示，虚线左侧同现有技术单门控模式如图 1一样。首先将一个略低于雪崩点电压VB的直流高压VDC通过一个与雪崩光电二 极管APD串联的限流电阻RL为APD提供一个稳定的偏置电压Vr，该电压略低 于雪崩点电压VB，此时APD没有发生雪崩，Vr≈VDC；当光子到来时，门控偏压 gate1通过耦合电容C，将一个足够宽(宽于雪崩脉冲上升沿)的脉冲电压， 在APD阴极得到图2右上图所示的脉冲波形，峰值电压Vp大于雪崩点电压VB， 因此，在门控脉冲持续期间，只要有光子入射，雪崩就可以发生。图2的右下 图示出了在输出电阻Rs上获得的波形，可以看到，门控脉冲的前后沿分别对 应一个正负尖脉冲，这是由于APD的结电容对门控脉冲起到了微分作用所造成 的，图中虚线的尖峰代表雪崩脉冲信号，于是，雪崩信号与门脉冲有效地分离 了。然后再通过一个很窄的取样探测门就可以将光子信号取出，如图3的gate2， 电路实现部分对应于图2之左图。
上述一个足够宽的脉冲电压指的是50-200ns、5.000±0.005v的脉冲电压。
本实施例在进行单光子探测时，如图7所示首先同步信号控制单光子发射， 同时触发APD门偏压，当光子到来时，门控偏压gate1通过耦合电容C，加到 APD阴极，在门控脉冲持续期间，只要有光子入射，雪崩就可以发生。可以看 到，门控脉冲的前后沿分别对应一个正负尖脉冲，这是由于APD的结电容对门 控脉冲起到了微分作用所造成的。可控延时器以门偏压的前沿为基准，延迟到 光脉冲到达的时间，产生一个较窄的TTL脉冲(＜5纳秒，越窄则减少噪声的效 果越好，但受到器件性能的限制)，该脉冲则提供给D触发器(如74AS74)的 数据端(D端)。根据D触发器的功能，时钟脉冲(CP端)的上升沿对应时刻 的数据信号将被取出，由Q端输出(Q-是反相信号)。可以看出，“信号”波 形通过“整形放大”后，变成了两个连续的TTL脉冲，其中，前一个是由门偏 压的前沿尖峰引起的，因而始终出现，但它在时间上是远离“探测门”脉冲的， 因此它的上升沿对应的数据信号(D端)始终是低电平，起到了“清零”作用， 而后一个脉冲是由光子雪崩信号经整形后得到的，只有当探测到光子时，才会 出现，用虚线表示；它的上升沿在时间上是正对探测门中央的，只有在探测门 期间有CP上升沿，Q输出端才会输出高电平，于是，Q输出信号的高低，代表 了光信号的有无。
本实施例的信号处理的原理如图5所示，门控脉冲的前沿作为同步信号去 触发一个可控延时器，延时至光子到达时刻前(入射光子在门偏压的中、后部 到达)驱动探测门产生电路，开启一个窄小的探测门(＜5纳秒，TTL脉冲)， 此探测门提供给D触发器的数据端(D端)用以捕捉时钟脉冲(CP端)的上升 沿；而来自APD输出的雪崩信号则经过放大整形电路，把门偏压上升沿的尖峰 和雪崩信号变成了两个紧连的TTL脉冲，送到CP端，而只有雪崩信号对应的 TTL脉冲前沿在探测门内部，于是数据信号将被取出，由Q端输出(Q-是反相 信号)。
本实施例的信号处理的时序图如图6所示，在D触发器的数据端(D端) 的探测门信号，它是同步于光子到达时间而周期性出现的。而CP端连接的是 由APD输出整形放大后的信号，由一个前导脉冲和一个雪崩信号组成，其中前 导脉冲对应着门偏压的前沿尖峰，所以始终出现，用实线表示；而雪崩信号仅 当探测到光子时才出现，用虚线表示。根据D触发器的工作原理，CP端的脉冲 上升沿将对D端的电平值进行取样，并由Q端输出，因而前导脉冲的作用是将 Q端清0，而雪崩信号的脉冲决定了Q端(也就是探测器输出端)的电平状态 (高电平表示有光子信号)。
本发明不改变门偏压的位置就可实现对光子到达时间微小改变的探测，这 对于探测单光子光程差的应用场合是很有意义的。
本发明探测门gate2在门控偏压gate1时间内可以扫描，从而使探测时间 可以微调。如图8所示探测门与门偏压前沿的延时控制：门偏压的前沿触发可 控延时器产生一个延时td，在td时间后，“探测门产生”电路产生一个探测门 用于捕获对应的光子雪崩信号，由于可控延时器的延时量可调，可以实现探测 门在门偏压内的扫描见图4(2)。
本发明在探测门gate1时间内可以放置多个探测门(gate21 gate22 gate23，……)。如图9所示通过多个可控延时器并联产生多探测门的方案： 门偏压的前沿触发多个并联的可控延时器产生多路延时td1，td2，…tdn，在每个 延时结束后，“探测门产生”电路都会产生一个探测门用于捕获对应的光子雪 崩信号见图4(3)。但是由于一个门偏压仅能响应一次雪崩，因而此方案只适 用于每次仅有一个光子入射，而有多个达到时间的场合。
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