本技術涉及量子通信領域，更具體地，涉及一種單光子探測器。

背景技術：

1、單光子探測器是一種達到弱光探測極限的超靈敏探測器，可實現(xiàn)對單個光子量級的光能量捕獲和轉(zhuǎn)換，廣泛應用于“高精尖”的科技領域。單光子探測器不僅作為量子通信系統(tǒng)的關鍵組件，也是量子測量、激光雷達、熒光壽命檢測、空間探測等領域所處系統(tǒng)的關鍵組成。

2、當前單光子探測器主要有超導探測器、頻率上轉(zhuǎn)換探測器、半導體雪崩二極管探測器，前兩種探測器體積大、成本高，實用性不高；半導體雪崩二極管探測器體積小、成本低，但是噪聲大，無法直接使用，因此需要采取相應的措施降低噪聲水平。

3、雪崩光電二極管(apd)實現(xiàn)單光子探測的原理如下：apd工作在蓋革模式下以獲得足夠高的增益，當探測到一個光子入射后，apd內(nèi)會產(chǎn)生雪崩電流并自發(fā)持續(xù)下去，長時間處于雪崩狀態(tài)將影響apd使用壽命和穩(wěn)定性，因此在觸發(fā)一次雪崩后，需要通過主動或被動方式將apd的反向偏置電壓降低到雪崩電壓之下，以退出蓋革模式來淬滅雪崩電流?；赼pd的單光子探測器其探測效率、噪聲(暗計數(shù)和后脈沖)、計數(shù)率幾個性能指標之間相互約束，延長apd雪崩時長或者提高反向偏置電壓可以提升探測效率，但是會帶來暗計數(shù)和后脈沖增加；降低制冷溫度會降低暗計數(shù)，但是會帶來后脈沖增加；增加死時間長度可以抑制后脈沖產(chǎn)生概率，但是會帶來計數(shù)率降低。因此，如果根據(jù)不同的應用要求、場景要求，保持盡可能高的探測效率并抑制apd的雪崩噪聲是一個重要的研發(fā)方向。

4、公布號為cn101650227a的專利文獻公開了一種吉赫茲正弦波門控低通濾波紅外單光子探測器，提供了一種通用的電路組成，以正弦波門控功率源輸出的頻率為吉赫茲(ghz)的正弦波作為銦鎵砷銦磷雪崩光電二極管電路的門控信號，同時以低通濾波器對結(jié)電容微分效應引起的尖峰噪聲進行低通濾波，用于ghz高速紅外單光子探測，但是沒有對正弦門控信號的幅度調(diào)整、閉環(huán)維穩(wěn)作用，無法保證探測效率的持續(xù)穩(wěn)定性，門控信號無法撤銷，并且偏壓產(chǎn)生采用高精度的程控電源輸出范圍只有40-50v，沒有超過apd的反向擊穿電壓，因此單光子探測器只能工作在門控探測工作模式(也稱門控模式)。

5、公布號為cn113405677a的專利文獻公開了一種高速正弦門控單光子探測器，包括一種雙正弦門、雙apd管的探測電路與參考電路，采用自差分相消的方案消除探測電路產(chǎn)生的噪聲信號及載波，使得高速正弦門控單光子探測器能夠從探測電路產(chǎn)生的噪聲信號中提取雪崩脈沖電信號，但是雙apd管電路成本較高，不太適宜對成本要求較嚴格的應用場景。

6、公布號為cn115452145a的專利文獻公開了一種單光子探測器的測試裝置，該單光子探測器的測試裝置實現(xiàn)了門控模式與自由運行模式的測試標定切換過程，但是需要切換開關、偏置器、可調(diào)電阻調(diào)節(jié)等輔助手段實現(xiàn)兩種模式切換，因切換電路存在電路寄生參數(shù)(如阻抗不匹配等問題)對高速電路影響較大，不太適合ghz以上的高速探測器采用。另外使用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)apd偏置電壓存在自動化程度低的問題，不適合產(chǎn)品級應用。

7、目前相關技術一般只針對探測器的部分性能做優(yōu)化，沒有考慮探測器不同性能之間的相互制約作用，也沒有提供一個通用電路組成。

技術實現(xiàn)思路

1、本實用新型所要解決的技術問題在于如何提供一種考慮探測器不同性能之間的相互制約作用的單光子探測器。

2、本實用新型通過以下技術手段實現(xiàn)解決上述技術問題的：一種單光子探測器，包括控制器、偏置電壓產(chǎn)生電路、制冷溫度控制電路、門控電壓產(chǎn)生電路、apd制冷盒，制冷溫度控制電路一端連接到apd制冷盒的tec，一端連接到控制器，單光子探測器還包括雪崩信號提取電路，其中偏置電壓產(chǎn)生電路、門控電壓產(chǎn)生電路和雪崩信號提取電路一端連接到控制器，所述雪崩信號提取電路另一端通過交流耦合電容c2連接到apd制冷盒中apd的陽極，apd的陽極通過采樣電阻r2接地，所述偏置電壓產(chǎn)生電路另一端通過電阻r1連接到apd的陰極，所述門控電壓產(chǎn)生電路另一端通過交流耦合電容c1連接到apd的陰極。

3、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述串聯(lián)電阻r1阻值1kω，采樣電阻r2阻值50ω，交流耦合電容c1和c2的電容值均為100nf。

4、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述偏置電壓產(chǎn)生電路包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac1、升壓轉(zhuǎn)換器，其中第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac1輸入端連接到控制器，輸出端連接到升壓轉(zhuǎn)換器，升壓轉(zhuǎn)換器一個輸出端作為偏置電壓產(chǎn)生電路的輸出端。

5、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述偏置電壓產(chǎn)生電路還包括第一運算放大器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)化器adc1，升壓轉(zhuǎn)換器的另一輸出端依次通過第一運算放大器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)化器adc1接至控制器，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端連接第一運算放大器。

6、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述制冷溫度控制電路包括開關電源、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac2、第二模數(shù)轉(zhuǎn)化器adc2以及第二運算放大器，其中控制器依次通過第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac2、開關電源連接到apd制冷盒的tec，tec上的ntc又依次通過第二運算放大器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc2連接到控制器。

7、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述門控電壓產(chǎn)生電路包括從同步時鐘輸入端到門控電壓輸出端依次連接的pll、移相控制器。

8、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述pll采用具有使能功能的鎖相環(huán)，移相控制器采用可調(diào)移相器。

9、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述門控電壓產(chǎn)生電路還包括門幅維穩(wěn)控制電路，所述門幅維穩(wěn)控制電路包括依次連接在移相控制器后面的衰減器、功率放大器、耦合器，以及連接在耦合器的輸出端和控制器之間的第一檢波器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc3，還包括依次連接在控制器和衰減器的輸入端之間的第三數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac3和第三運算放大器，其中控制器連接pll的pll_en端口。

10、作為進一步優(yōu)化的技術方案，所述雪崩信號提取電路包括依次連接的級聯(lián)濾波放大電路和甄別電路，其中所述級聯(lián)濾波放大電路采用“3級濾波+2級放大”，其拓撲結(jié)構是“濾波-放大-濾波-濾波-放大”。

11、作為進一步優(yōu)化的技術方案，第一級、第二級、第三級濾波器采用低通濾波器，第一級放大器采用低噪聲放大器，第二級放大器采用增益放大器，甄別電路采用高速比較器。

12、本實用新型的優(yōu)點在于：

13、1、本實用新型設計的一種通用的高效率單光子探測器方案，綜合考慮偏置電壓、門控電壓、制冷控制、雪崩信號提取相結(jié)合的方式，在apd兩端加載合適的門控電壓和偏置電壓以保證探測效率，通過串聯(lián)電阻實現(xiàn)自由運行工作模式(也稱自由運行模式)的被動淬滅，在apd陽極設置雪崩信號提取點，簡化了死時間處理電路，通過設置制冷溫度控制電路降低了apd熱噪聲，通過設置雪崩信號提取電路，實現(xiàn)了對門控微分噪聲的抑制，可大大降低探測器噪聲水平；

14、2、本實用新型設計的雪崩信號提取電路僅采用3級濾波和2級放大結(jié)構即可提取雪崩信號，簡化了電路，縮小了電路體積，可實現(xiàn)對噪聲信號(如門控微分信號)的深度抑制和對雪崩信號的放大；

15、3、設計的偏置電壓產(chǎn)生電路具有偏壓信號幅度自動可調(diào)和偏流檢測能力，通過檢測apd工作偏置電壓電流大小，作為識別是否存在強光攻擊的判斷條件，當出現(xiàn)偏流過大時可及時降低加載到apd上的偏置電壓，避免apd雪崩時間過長導致過流損壞；

16、4、設計的門控電壓產(chǎn)生電路中，考慮了不同相位點的門幅維穩(wěn)能力，可以保持單光子探測器的探測效率的穩(wěn)定性；

17、5、本實用新型設計的單光子探測器結(jié)構簡單、易于工程實現(xiàn)、成本低，可根據(jù)不同應用場景，通過不使能鎖相環(huán)來關閉門控電壓，靈活切換單光子探測器處于門控探測工作模式和自由運行工作模式，具有較高的工作適應性和工作可靠性。