本發(fā)明涉及單光子探測技術(shù)領(lǐng)域，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。

背景技術(shù)：

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)要素：

本發(fā)明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。

本發(fā)明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(duì)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。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過使用斯特林制冷機(jī)對(duì)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，本發(fā)明使用的負(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發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)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發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)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為本發(fā)明實(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為本發(fā)明實(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為本發(fā)明實(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)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(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)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(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，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明實(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。

本發(fā)明實(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。

本發(fā)明實(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(duì)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)具有最小暗計(jì)數(shù)的最優(yōu)工作溫度。本發(fā)明通過使用斯特林制冷機(jī)對(duì)負(fù)反饋雪崩光電二極管深度制冷，在-110℃左右時(shí)達(dá)到了兩種效應(yīng)的最佳平衡點(diǎn)，使單光子探測器的暗計(jì)數(shù)達(dá)到了約6cps的最低水平。

雪崩光電二極管單光子探測器的后脈沖效應(yīng)指雪崩過程中由倍增層存在的缺陷和雜質(zhì)捕獲的部分載流子延遲釋放引起的雪崩信號(hào)，后脈沖概率與材料缺陷濃度、雪崩持續(xù)時(shí)間、器件的寄生電容等一系列因素相關(guān)。本發(fā)明使用的負(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，采用NFAD可以有效抑制后脈沖效應(yīng)。本發(fā)明所述的超低噪聲自由運(yùn)行模式單光子探測器系統(tǒng)還在每次探測事件后設(shè)置死時(shí)間，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。

圖3所示為負(fù)反饋雪崩光電二極管NFAD在-110℃時(shí)單光子探測器的暗計(jì)數(shù)與探測效率的關(guān)系圖。由圖3可知，在工作溫度為-110℃、單光子探測器的探測效率達(dá)到15％時(shí)，其暗計(jì)數(shù)在6cps以下，后脈沖概率約3％，噪聲水平比現(xiàn)有的近紅外波段自由運(yùn)行模式半導(dǎo)體探測器降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。