專(zhuān)利名稱(chēng)：頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近紅外波段的量子保密通信和微弱光信號(hào)探測(cè)等領(lǐng)域，具體涉及一種速率可調(diào)諧的吉赫茲近紅外波段單光子探測(cè)器。
背景技術(shù)：
單光子探測(cè)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于量子密鑰分配(QKD)、激光雷達(dá)(Iidar)、光纖傳感(fiber optical sensing)、光纖通信(fiber optical communication)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)上可以使用光電倍增管(PMT)進(jìn)行單光子探測(cè)，其時(shí)間分辨率和暗計(jì)數(shù)指標(biāo)均十分優(yōu)秀，但是當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)I μ m時(shí)，其探測(cè)的量子效率迅速下降到1%以下，使其不適合紅外波段的應(yīng)用。硅(Si)雪崩光電二極管(APD)在400nm到900nm波長(zhǎng)具有超過(guò)70%的量子效率，但是對(duì)于光纖通信中的近紅外波段的低損耗窗口 1310nm和1550nm，硅APD幾乎沒(méi)有響應(yīng)。一種解決方案是采用波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換，將波長(zhǎng)I μ m以上的光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為I μ m以下的光子信號(hào)，再使用硅APD進(jìn)行探測(cè)。但是這種方案中波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率通常不高，因此總體的量子效率受到影響。且常見(jiàn)的波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換需要空間光器件的參與，其系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，穩(wěn)定性不好。最近一些年，紅外波段單光子探測(cè)的研究熱點(diǎn)又集中到了基于超導(dǎo)材料的單光子探測(cè)器。這一類(lèi)探測(cè)器的探測(cè)速率與暗計(jì)數(shù)性能相對(duì)于傳統(tǒng)方案均具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是其工作溫度極低(數(shù)K)，需要龐大且昂貴的制冷設(shè)備，因此暫時(shí)還很難在實(shí)際應(yīng)用中推廣。目前光纖通信波段的近紅外單光子探測(cè)主要仍采用基于銦鎵砷/銦磷(InGaAs/InP)材料的雪崩光電二極管AH)作為探測(cè)器元件。采用高于雪崩電壓的反向偏置可以使InGaAs/InP APD工作在“蓋革”模式。此時(shí)即使探測(cè)器僅接收到單個(gè)光子，也會(huì)以一定的概率觸發(fā)所謂“自持雪崩”。由于雪崩增益極大，單個(gè)光子產(chǎn)生的光電流會(huì)被迅速放大，產(chǎn)生足以被后續(xù)電路檢測(cè)到的電流脈沖。其工作溫度通常在223K附近以降低暗計(jì)數(shù)發(fā)生的概率，這可以使用半導(dǎo)體制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于“自持雪崩”是一個(gè)正向反饋的過(guò)程，一旦發(fā)生就不會(huì)自行淬滅。為了保證探測(cè)器可以連續(xù)探測(cè)光子，必須在雪崩發(fā)生之后，下一光子到達(dá)之前主動(dòng)淬滅雪崩過(guò)程。常見(jiàn)的淬滅技術(shù)包括:無(wú)源模式、有源模式以及門(mén)控模式。其中無(wú)源和有源模式無(wú)需同步光子到達(dá)的時(shí)間，因此可以測(cè)量到達(dá)時(shí)刻未知的光子信號(hào)。但是這兩種模式的淬滅過(guò)程較長(zhǎng)，其探測(cè)速率通常小于兆赫茲。而如果能夠同步光子的到達(dá)時(shí)間，則可以采用門(mén)控模式。通過(guò)僅在光子到達(dá)時(shí)刻提升雪崩光電二極管Aro偏置電壓，可以在保證探測(cè)效率的前提下，大大提升探測(cè)速率并降低暗計(jì)數(shù)發(fā)生的概率。但是由于雪崩光電二極管Aro結(jié)電容的高通耦合特性，采用門(mén)控模式淬滅雪崩時(shí)，探測(cè)器的輸出會(huì)受到與門(mén)控信號(hào)同頻的峰狀噪聲干擾。而單光子的雪崩信號(hào)幅度相對(duì)于噪聲水平較小，如何從強(qiáng)干擾噪聲中提取出雪崩脈沖信號(hào)就變得十分重要。提升反向偏置電壓從而增加雪崩增益以提高雪崩信號(hào)幅度是一種常見(jiàn)的方案。但是InGaAs/InP APD的材料中總是存在一些缺陷。在雪崩過(guò)程中，雪崩增益激發(fā)的大量載流子會(huì)以一定的概率被這些材料缺陷捕獲，并經(jīng)歷一定的時(shí)間后釋放。這些延時(shí)釋放的載流子有可能再次激發(fā)雪崩信號(hào)，產(chǎn)生所謂“后脈沖”效應(yīng)。顯然后脈沖是一種假信號(hào)，其發(fā)生概率應(yīng)被盡量抑制。延長(zhǎng)門(mén)控信號(hào)的重復(fù)周期可以有效降低后脈沖概率，但是這就限制了探測(cè)速率。為了提高探測(cè)速率，只能夠使用較小的雪崩增益，此時(shí)雪崩信號(hào)的幅度相對(duì)于峰狀噪聲水平就變得更低，信號(hào)提取更加困難。為了抑制峰狀噪聲對(duì)雪崩信號(hào)檢測(cè)的影響，產(chǎn)生了一類(lèi)稱(chēng)為自差分的技術(shù)。這一類(lèi)技術(shù)所使用的門(mén)控信號(hào)通常為周期性的方波信號(hào)，將探測(cè)器輸出的原始信號(hào)分作兩路，其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)反向和一個(gè)門(mén)控周期的延遲后與另一路信號(hào)相加。由于峰狀噪聲具有周期性，相加的結(jié)果將抑制噪聲而保留雪崩信號(hào)。另一種常用的方法是正弦波門(mén)控技術(shù)，其門(mén)控信號(hào)為純凈的正弦波信號(hào)。由于正弦波在頻域上僅對(duì)應(yīng)單一的頻率分量，因此探測(cè)器輸出的噪聲主要仍為同頻的正弦信號(hào)。傳統(tǒng)上采用選頻特性極佳的帶阻濾波器抑制這一正弦噪聲分量，取出雪崩信號(hào)。無(wú)論是自差分技術(shù)還是正弦門(mén)控技術(shù)，其探測(cè)速率是固定的，由延遲線長(zhǎng)度或?yàn)V波器中心頻率決定。因此其探測(cè)速率的適應(yīng)性不強(qiáng)，一旦探測(cè)器完成設(shè)計(jì)，其工作速率就是固定的，靈活性差。且由于高性能的延遲線和濾波器的幾何尺寸通常與波長(zhǎng)相比擬，對(duì)于吉赫茲的探測(cè)器，延遲線或?yàn)V波器的尺寸均在數(shù)十厘米以上，使得整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)體積仍顯龐大，不利于便攜式的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種探測(cè)頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，無(wú)需使用延遲線或帶阻濾波器等器件就可以有效抑制雪崩光電二極管APD結(jié)電容耦合的噪聲，提高探測(cè)器的靈敏度。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:一種頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，包括正弦波門(mén)控信號(hào)發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InP APD模塊，半導(dǎo)體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計(jì)數(shù)器，功率探測(cè)器，相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，其中:所述正弦波門(mén)控信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為吉赫茲的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)第一功率分配器分為兩路輸出信號(hào):第一輸出信號(hào)作為InGaAs/InP APD模塊的門(mén)控信號(hào),該門(mén)控信號(hào)加載在高壓直流偏置模塊產(chǎn)生的直流電壓偏置之上，用于控制雪崩光電二極管APD的工作狀態(tài)；第二路輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)、壓控增益放大器后形成與InGaAs/InP ATO模塊輸出的尖峰噪聲幅度相同、相位相反的正弦信號(hào)；所述InGaAs/InP模塊的輸出信號(hào)、壓控增益放大器輸出的正弦信號(hào)分別輸入功率合成器相加后，所合成的信號(hào)依次經(jīng)過(guò)低通濾波器、功率放大器后，經(jīng)過(guò)第二功率分配器分為兩路輸出信號(hào):第一路輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)超高速比較器、脈沖計(jì)數(shù)器得到InGaAs/InPAPD模塊所探測(cè)到的光子計(jì)數(shù)；第二路輸出信號(hào)經(jīng)功率探測(cè)器輸入至相位與幅度自動(dòng)鎖存模塊；相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊根據(jù)功率探測(cè)器的輸出信號(hào)幅度大小，調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的相位延遲以及壓控增益放大器的增益，使得鎖相環(huán)和壓控增益放大器在相位與幅度自動(dòng)鎖存模塊的控制下，合成與雪崩光電二極管Aro結(jié)電容耦合的正弦噪聲信號(hào)幅度相同、相位相反的同頻信號(hào)；所述半導(dǎo)體溫度控制模塊用于調(diào)節(jié)所述InGaAs/InP模塊的溫度。
進(jìn)一步的，本發(fā)明的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，所述的InGaAs/InP ATO模塊包括輸入匹配電阻、隔直電容、限流保護(hù)電阻、去耦電容、雪崩光電二極管APD、輸出匹配電阻，帕爾貼以及熱敏電阻，其中:所述雪崩光電二極管APD、帕爾貼以及熱敏電阻被粘連在一起并使用保溫材料加以密封；雪崩光電二極管APD的門(mén)控信號(hào)經(jīng)所述輸入匹配電阻接地，以保證高頻信號(hào)不出現(xiàn)反射而造成失真；所述隔直電容用于隔離門(mén)控信號(hào)和高壓直流偏置之間的直流耦合，僅允許交流的門(mén)控信號(hào)通過(guò)，并加載到雪崩光電二極管APD的陰極；所述輸出匹配電阻的一端分別連接雪崩光電二極管APD的陽(yáng)極和InGaAs/InP ATO模塊的輸出端，所述輸出匹配電阻的另一端接地；高壓直流偏置模塊的直流電壓偏置通過(guò)所述限流保護(hù)電阻連接雪崩光電二極管AH)的陰極，形成高壓反向偏置；直流電壓偏置進(jìn)入InGaAs/InP ATO模塊內(nèi)部時(shí)，通過(guò)所述去耦電容接地，以抑制偏置輸入端口的高頻干擾。進(jìn)一步的，本發(fā)明的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，所述的相位和幅度自動(dòng)鎖存模塊包快模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中:所述功率探測(cè)器探測(cè)的電壓信號(hào)輸入經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)微控制器利用相位和幅度自動(dòng)鎖存算法計(jì)算后，得到鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓，微控制器將該最佳工作電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓，并分別輸出給鎖相環(huán)和壓控增益放大器，使兩個(gè)器件鎖定在最佳工作狀態(tài)。進(jìn)一步的，本發(fā)明的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，所述相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊根據(jù)以下方法確定鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓:將功率探測(cè)器輸出的濾波后的信號(hào)Srat表示為:
權(quán)利要求
1.一種頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，其特征在于:包括正弦波門(mén)控信號(hào)發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InP ATO模塊，半導(dǎo)體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計(jì)數(shù)器，功率探測(cè)器，相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，其中: 所述正弦波門(mén)控信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為吉赫茲的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)第一功率分配器分為兩路輸出信號(hào):第一輸出信號(hào)作為InGaAs/InP APD模塊的門(mén)控信號(hào),該門(mén)控信號(hào)加載在高壓直流偏置模塊產(chǎn)生的直流電壓偏置之上，用于控制雪崩光電二極管APD的工作狀態(tài)；第二路輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)、壓控增益放大器后形成與InGaAs/InP ATO模塊輸出的尖峰噪聲幅度相同、相位相反的正弦信號(hào)； 所述InGaAs/InP模塊的輸出信號(hào)、壓控增益放大器輸出的正弦信號(hào)分別輸入功率合成器相加后，所合成的信號(hào)依次經(jīng)過(guò)低通濾波器、功率放大器后，經(jīng)過(guò)第二功率分配器分為兩路輸出信號(hào):第一路輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)超高速比較器、脈沖計(jì)數(shù)器得到InGaAs/InP APD模塊所探測(cè)到的光子計(jì)數(shù)；第二路輸出信號(hào)經(jīng)功率探測(cè)器輸入至相位與幅度自動(dòng)鎖存模塊；相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊根據(jù)功率探測(cè)器的輸出信號(hào)幅度大小，調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的相位延遲以及壓控增益放大器的增益，使得鎖相環(huán)和壓控增益放大器在相位與幅度自動(dòng)鎖存模塊的控制下，合成與雪崩光電二極管APD結(jié)電容耦合的正弦噪聲信號(hào)幅度相同、相位相反的同頻信號(hào)； 所述半導(dǎo)體溫度控制模塊用于調(diào)節(jié)所述InGaAs/InP模塊的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，其特征在于:所述的InGaAs/InP APD模塊包括輸入匹配電阻、隔直電容、限流保護(hù)電阻、去耦電容、雪崩光電二極管APD、輸出匹配電阻，帕爾貼以及熱敏電阻，其中: 所述雪崩光電二極管APD、帕爾貼以及熱敏電阻被粘連在一起并使用保溫材料加以密封；雪崩光電二極管APD的門(mén)控信號(hào)經(jīng)所述輸入匹配電阻接地，以保證高頻信號(hào)不出現(xiàn)反射而造成失真；所述隔直電容用于隔離門(mén)控信號(hào)和高壓直流偏置之間的直流耦合，僅允許交流的門(mén)控信號(hào)通過(guò)，并加載到雪崩光電二極管APD的陰極；所述輸出匹配電阻的一端分別連接雪崩光電二極管APD的陽(yáng)極和InGaAs/InP ATO模塊的輸出端，所述輸出匹配電阻的另一端接地；高壓直流偏置模塊的直流電壓偏置通過(guò)所述限流保護(hù)電阻連接雪崩光電二極管AH)的陰極，形成高壓反向偏置；直流電壓偏置進(jìn)入InGaAs/InP ATO模塊內(nèi)部時(shí)，通過(guò)所述去耦電容接地，以抑制偏置輸入端口的高頻干擾。
3.如權(quán)利要求1所述的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，其特征在于:所述的相位和幅度自動(dòng)鎖存模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中: 所述功率探測(cè)器探測(cè)的電壓信號(hào)輸入經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)微控制器利用相位和幅度自動(dòng)鎖存算法計(jì)算后，得到鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓，微控制器將該最佳工作電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓，并分別輸出給鎖相環(huán) 和壓控增益放大器，使兩個(gè)器件鎖定在最佳工作狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1或3所述的頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，其特征在于:相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊根據(jù)以下方法確定鎖相環(huán)和壓控增益放大器的最佳工作電壓: 將功率探測(cè)器輸出的濾波后的信號(hào)Swt表示為:S0!!l=\l:1+~I':'2+j-:l:'cosUo-(p']: 其中E代表容性耦合噪聲的電場(chǎng)強(qiáng)度，E’代表差分信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度，P代表容性耦合噪聲的相位，^代表差分信號(hào)的相位； 根據(jù)上式，僅當(dāng)容性耦合噪聲與差分信號(hào)強(qiáng)度一致且兩者相位差產(chǎn)Κ=2Ν+π時(shí)才能得到功率探測(cè)器輸出的最小值，此時(shí)差分信號(hào)對(duì)容性耦合噪聲的抑制達(dá)到最佳工作點(diǎn)，N為整數(shù)； 依照上述原則，利用微控制器按照數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最小步長(zhǎng)分別給予鎖相環(huán)和壓控增益放大器增大或減小的控制電壓信號(hào)，在此過(guò)程中得到一個(gè)功率探測(cè)器輸出的最小值，此時(shí)的微控制器輸出的控制電壓為 鎖相環(huán)和壓控增益放大器最佳工作電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種頻率可調(diào)諧的吉赫茲正弦門(mén)控近紅外單光子探測(cè)器，包括正弦波門(mén)控信號(hào)發(fā)生器，第一功率分配器，InGaAs/InPAPD模塊，半導(dǎo)體溫度控制模塊，高壓直流偏置模塊，功率合成器，低通濾波器，功率放大器，第二功率分配器，超高速比較器，脈沖計(jì)數(shù)器，功率探測(cè)器，相位與幅度自動(dòng)鎖定模塊，壓控增益放大器以及鎖相環(huán)，該探測(cè)器無(wú)需使用延遲線或帶阻濾波器等體積較大的器件就可以有效抑制雪崩光電二極管APD結(jié)電容耦合的噪聲，提高探測(cè)器的靈敏度且同時(shí)具有高探測(cè)速率、高量子效率、低暗計(jì)數(shù)與后脈沖概率以及結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)超低溫要求、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)近紅外波段高速單光子探測(cè)的理想方案。
文檔編號(hào)G01J11/00GK103115688SQ201310027060
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者張益昕, 張旭蘋(píng), 楊國(guó)文, 王順, 胡君輝 申請(qǐng)人:南京大學(xué)