本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域中的微弱近紅外光探測與量子保密通信技術(shù)等領(lǐng)域，具體地指一種低時間抖動的單光子探測器。

背景技術(shù)：

單光子探測在光譜分析、生物發(fā)光、精密測量、量子信息等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前的單光子探測方案中，雪崩光電二極管apd因為探測效率較高、響應(yīng)速度快、體積小、成本低而成為最為實用的單光子探測器件。

apd用于單光子探測時，須工作于蓋革模式，即apd的反向偏置電壓大于其雪崩電壓。在蓋革模式下，apd吸收單光子后產(chǎn)生的載流子會觸發(fā)所謂的“自持雪崩”過程，光電流被迅速放大，產(chǎn)生足以被后續(xù)電路檢測到的雪崩電信號。由于自持雪崩是一個正向反饋過程，一旦發(fā)生就不會自行猝滅。為保護apd，并使其可以連續(xù)探測單光子，必須在雪崩發(fā)生后及時猝滅雪崩過程。常見的雪崩猝滅的方法有：主動猝滅，被動猝滅和門控模式。主動猝滅和被動猝滅可以探測未知時刻到達的光子，但是這兩種方法的猝滅時間較長，因此探測速率通常小于兆赫茲。門控模式可以減少雪崩猝滅的時間，其原理是apd的反向直流偏置電壓小于雪崩電壓，只有單光子脈沖到達時，才通過一個門控脈沖使apd的偏置電壓大于雪崩電壓，雪崩過程隨著門控脈沖的撤銷而迅速猝滅，從而在保證探測效率的前提下，大大提高探測速率并降低暗計數(shù)率。

在門控模式下，雪崩電信號的幅度是隨機起伏的，引起雪崩電信號幅度起伏的原因很多，比如當(dāng)激光器工作在單光子模式時，每個光脈沖包含的光子數(shù)少，光子到達探測器的時間服從泊松分布致使雪崩響應(yīng)偏離門信號中心位置，導(dǎo)致雪崩電信號的幅度隨機起伏。此外，光子到達apd器件吸收面的位置不同，產(chǎn)生載流子的初始能量不確定也將使雪崩電信號的幅度隨機起伏?，F(xiàn)有的單光子探測器的雪崩信號處理模塊直接將提取的雪崩電信號輸入到比較器，與固定的閾值電平進行比較，從而將雪崩電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號作為探測器的輸出。由于雪崩電信號幅度隨機起伏和本底噪聲的存在，閾值電平必須大于本底噪聲的幅度，因此輸出數(shù)字信號的前沿會隨著雪崩電信號幅度的起伏而前后移動，這一時間變化量就稱為探測器的時間抖動，如附圖3所示。

在激光測距中，單光子探測器的時間抖動程度直接決定了整套裝置的測量精度，現(xiàn)有的單光子探測器的時間抖動一般都比較大，難以滿足測距要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了要解決上述背景技術(shù)的不足，提供一種能大大降低探測系統(tǒng)的時間抖動，同時不影響系統(tǒng)的探測效率、暗計數(shù)率等性能的低時間抖動的單光子探測器。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種低時間抖動的單光子探測器，包括：用于將單光子信號轉(zhuǎn)換為雪崩電信號的單光子信號探測模塊1；用于將所述雪崩電信號從所述單光子信號探測模塊1輸出的噪聲中提取出來的雪崩信號提取模塊2；和用于將所述雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的雪崩信號處理模塊3；其特征在于：所述單光子信號探測模塊1包括工作在門控模式下的雪崩光電二極管apd；所述雪崩信號處理模塊3為限幅放大器8，所述限幅放大器8的輸入端與雪崩信號提取模塊2的輸出端相連，所述限幅放大器8的工作帶寬大于所述雪崩電信號的帶寬；所述限幅放大器8的輸入信號門限值大于所述雪崩信號提取模塊2輸出信號中的本底噪聲的幅度；所述限幅放大器8將所述雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

優(yōu)選的，可在所述單光子信號探測模塊1的雪崩光電二極管apd的兩端反向加載直流電壓va，所述直流電壓va小于所述雪崩光電二極管的雪崩電壓vb；幅度為vg的門控信號通過隔直電容c輸入到所述雪崩光電二極管的陰極，所述vg、va和vb滿足va+vg>vb，所述雪崩光電二極管的陽極為所述單光子信號探測模塊1的輸出端。

優(yōu)選的，所述門控信號可為頻率為fg的正弦信號，所述雪崩信號提取模塊2可由中心頻率分別為fg、2fg、3fg的帶阻濾波器4、5、6和低噪聲射頻小信號放大器7相互串聯(lián)組成。

優(yōu)選的，所述門控信號可為正弦信號，所述雪崩信號提取模塊2可包括串聯(lián)的低通濾波器和低噪聲射頻小信號放大器，所述低通濾波器的截止頻率小于所述門控信號的頻率且大于所述雪崩電信號的帶寬。

本發(fā)明的工作原理：本發(fā)明采用工作在門控模式下的雪崩光電二極管apd將單光子信號轉(zhuǎn)換為雪崩電信號輸出給雪崩信號提取模塊2，所述雪崩光電二極管apd輸出的信號中還包含門控噪聲，所述雪崩信號提取模塊2將所述雪崩電信號從門控噪聲中提取出來后輸出給雪崩信號處理模塊3，所述雪崩信號處理模塊3利用限幅放大器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比較器，將輸入的所述雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

由于輸入所述雪崩信號處理模塊3的信號中不可避免的包括一定量的本底噪聲，傳統(tǒng)技術(shù)方案采用的比較器，其閾值電平必須大于本底噪聲的幅度，引入的時間抖動如附圖3(b)所示。

限幅放大器常用在光通信的光接收機部分。限幅放大器接收呈現(xiàn)二進位數(shù)據(jù)流的輸入信號、以高增益放大輸入信號至飽和狀態(tài)，并輸出呈現(xiàn)二進位數(shù)據(jù)流的實質(zhì)二階輸出信號。限幅放大器作為光接收機部分的關(guān)鍵電路，一方面滿足較高的增益和較大的帶寬的要求，另一方面滿足在較大的輸入動態(tài)范圍內(nèi)，輸出擺幅基本保持不變，為后續(xù)的時鐘恢復(fù)電路和數(shù)據(jù)判決電路提供一個穩(wěn)定的工作電平。

本發(fā)明的雪崩信號提取模塊2輸出的雪崩電信號與光接收機中輸入限幅放大器的信號相似，因此本發(fā)明的雪崩信號處理模塊3采用限幅放大器。設(shè)置限幅放大器的輸入信號門限值略大于本底噪聲的幅度，使本底噪聲不被限幅放大器放大。所述限幅放大器輸出的數(shù)字信號的時間抖動由所述限幅放大器器件的確定性抖動參數(shù)決定，如圖4(b)所示。

本發(fā)明的優(yōu)點效果：雪崩信號處理模塊3采用限幅放大器將幅度隨機起伏的雪崩電信號轉(zhuǎn)化為上升時間一致、幅度相等的數(shù)字信號，與傳統(tǒng)的比較器相比，可以大幅降低由于雪崩電信號幅度起伏引起的時間抖動。此外，本發(fā)明簡單可靠，對于所有工作于門控模式的單光子探測器都適用，具有較好的通用性，是減小單光子探測系統(tǒng)時間抖動的可行方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明實施例的電路原理圖；

圖3為采用比較器的雪崩信號處理模塊3的信號處理示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的雪崩信號處理模塊3的信號處理示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1所示的低時間抖動的單光子探測器，包括單光子信號探測模塊1，雪崩信號提取模塊2和雪崩信號處理模塊3。所述單光子信號探測模塊1用于將單光子信號轉(zhuǎn)換為雪崩電信號。所述單光子信號探測模塊1包括雪崩光電二極管apd，將直流電壓va反向加載在所述雪崩光電二極管的兩端，所述直流電壓va小于所述雪崩光電二極管的雪崩電壓vb；幅度為vg門控信號從門控信號輸入端1.2通過隔直電容c輸入到所述雪崩光電二極管的陰極，所述門控信號為頻率為fg的正弦信號，所述vg、va和vb滿足va+vg>vb；將激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)過衰減作為單光子源，將單光子源耦合至帶尾纖的雪崩光電二極管apd。所述雪崩光電二極管的陽極為所述單光子信號探測模塊1的輸出端。

本實施例所述雪崩光電二極管apd工作在正弦門控模式下，由于apd結(jié)電容的存在，結(jié)電容耦合產(chǎn)生的噪聲會嚴(yán)重影響到單光子信號探測模塊1的輸出信噪比，干擾雪崩電信號的正確提取。使用正弦門控信號驅(qū)動雪崩光電二極管apd時，結(jié)電容耦合噪聲主要分布在與正弦門控信號同頻的基頻和高次諧波分量上，所述結(jié)電容耦合噪聲為門控噪聲。因此本實施例中，所述單光子信號探測模塊1輸出的信號由雪崩電信號和門控噪聲信號疊加組成，其中門控噪聲信號很強，雪崩電信號強度很弱，且該微弱的雪崩電信號出現(xiàn)在門控噪聲信號的過零點處。

所述雪崩信號提取模塊2用于將所述雪崩電信號從所述門控噪聲中提取出來，所述單光子信號探測模塊1的輸出端與所述雪崩信號提取模塊2的輸入端相連。所述雪崩信號提取模塊2可由中心頻率分別為fg、2fg、3fg的帶阻濾波器4、5、6和低噪聲射頻小信號放大器7相互串聯(lián)組成，如圖2所示，其中，帶阻濾波器4、5、6和低噪聲射頻小信號放大器7的位置可以任意互換。所述雪崩信號提取模塊2也可由低通濾波器和低噪聲射頻小信號放大器相互串聯(lián)組成，所述低通濾波器的截止頻率小于所述正弦門控信號的頻率fg且大于所述雪崩電信號的帶寬。

所述雪崩信號處理模塊3用于將所述雪崩電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，所述雪崩信號提取模塊2的輸出端與所述雪崩信號處理模塊3的輸入端相連。輸入所述雪崩信號處理模塊3的信號由雪崩電信號和本底噪聲信號疊加組成，如圖3(a)和圖4(a)所示。

傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，所述雪崩信號處理模塊3為比較器，所述比較器的閾值電平大于本底噪聲的幅度，引入的時間抖動δt1如附圖3(b)所示。

本實施例的雪崩信號處理模塊3采用限幅放大器8，如圖2所示。所述限幅放大器8的工作帶寬大于所述雪崩電信號的帶寬。所述限幅放大器8的輸入信號門限值略大于所述本底噪聲的幅度，使本底噪聲不被限幅放大器放大。所述限幅放大器8輸出的數(shù)字信號的時間抖動δt2由所述限幅放大器器件的確定性抖動參數(shù)決定，如圖4(b)所示。因限幅放大器以高增益放大輸入信號至飽和狀態(tài)，其輸出的數(shù)字信號的時間抖動δt2遠小于傳統(tǒng)的比較器輸出的數(shù)字信號的時間抖動δt1。

單光子探測器的時間抖動程度在其應(yīng)用中具有重要意義，比如在激光測距中，單光子探測器的時間抖動程度直接決定了整套裝置的測量精度，將本實施例所述低時間抖動的單光子探測器應(yīng)用于激光測距裝置可大幅提高測距精度。

本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。