一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，包括并行APD阵列驱动电路，其输出端与并行APD阵列的输入端相连，并行APD阵列的输出端与信号探测电路的输入端相连，信号探测电路的输出端与模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。本实用新型专利技术使用并行APD阵列将单光子信号转换成雪崩电信号，利用直流偏置电压电路使并行APD阵列工作于盖革模式，利用高速脉冲门控时序信号电路以及多通道光开关实现并行APD阵列的通道时序切换功能，减小了APD器件的死时间，克服了探测器的后脉冲效应，有效提高探测器的工作频率和探测效率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及量子通信和量子信息技术中微弱信号探测
，尤其是一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统。
技术介绍
目前，红外单光子探测器主要使用的是利用APD器件进行光电探测的方法，其原理是利用光生载流子的光电效应，结型半导体器件在接收到单个光子时，借助强电场作用产生载流子的雪崩倍增效应，从而获得高灵敏的微弱雪崩信号，并由此发展出一些特殊的光电信号处理方法，取得了很大的进展，并且在实际量子密码通信系统中得到实际应用。基于InGaAs/InP APD器件的红外单光子探测器具有响应速度快，探测灵敏度高，暗计数率低，计数重复率高，成本低，实用性强等优点，并且InGaAs/InP APD作为异质结化合物半导体器件近年来在器件工艺和结构的研究取得较大进展，性能指标得到提高，商用化器件已研制成功。随着器件性能的改善和微弱信号检测电子学方法的发展，基于InGaAs/InP APD的单光子探测器仍然是未来高速红外单光子探测技术的主流方法。由于InGaAs/InP APD材料中存在一些缺陷，容易成为载流子的俘获中心。由于载流子被俘获中心俘获后，经过一段时间后释放出来，也会产生雪崩信号，即后脉冲效应，目前的主要解决方法是设置一定的死时间，即雪崩被抑制后的一段时间内，使加在APD上的偏压远小于雪崩电压，以保证释放的载流子无法触发雪崩。例如对于触发频率为100MHz数量级的单光子探测器来说,其最大计数率不超过100kHz，通过设置合适的死时间将APD偏压减小并持续几个μs时间不进行探测，从而可以有效的解决后脉冲效应问题。但是对于计数重复率要求GHz以上的高速探测器来说，两次有效探测之间的死时间最多只能设置为1ns数量级，远远低于APD中的载流子寿命，因此根本无法克服高速探测时的后脉冲效应影响。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种能够减小APD器件的死时间，有效提高探测器的工作频率和探测效率的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统。为实现上述目的，本技术采用了以下技术方案：一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，包括用于驱动并行APD阵列的并行APD阵列驱动电路，其输出端与并行APD阵列的控制输入端相连，并行APD阵列的输出端与用于将并行APD阵列 输出的单光子信号转换成雪崩电信号并将该雪崩电信号提取出来的信号探测电路的输入端相连，信号探测电路的输出端与用于将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号信号的模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与用于对转换后的数字信号进行甄别探测和计数的信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。所述并行APD阵列由分立的多个APD器件形成并行的阵列结构，或是由多个APD芯片集成在同一个芯片上封装成一个器件；所述并行APD阵列包含两个控制输入端和一个输出端，其中直流偏置电压信号输入作为第一控制输入端，交流门控偏置信号输入作为第二控制输入端，雪崩电信号输出作为输出端。所述并行APD阵列驱动电路由直流偏置电压电路、高速脉冲门控时序信号电路以及多通道光开关组成，所述信号探测电路由多级低通滤波电路和高速宽带放大电路组成，所述模数转换电路采用高速比较电路，所述信号处理电路由数字信号甄别电路和计数器组成；所述直流偏置电压电路的输出端与并行APD阵列的第一控制输入端相连，所述高速脉冲门控时序信号电路的输出端与并行APD阵列的第二控制输入端相连，所述并行APD阵列的输出端与多通道光开关的第一输入端相连，高速脉冲门控时序信号电路的输出端还与多通道光开关的第二输入端相连，多通道光开关的输出端与多级低通滤波电路的输入端相连，多级低通滤波电路的输出端与高速宽带放大电路的输入端相连，高速宽带放大电路的输出端与高速比较电路的输入端相连，高速比较电路的输出端与数字信号甄别电路的输入端相连，数字信号甄别电路的输出端与计数器的输入端相连，计数器的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。所述直流偏置电压电路包括芯片U3、MOS晶体管T1、快速整流二极管D1、滤波电感L8、电阻R51～R57、电容C62～C64以及滤波电容C65～C70，所述芯片U3为PWM开关控制芯片UC3845，电阻R53与电容C62并联，且该并联端的两端分别接芯片U3的1、2脚，芯片U3的2脚还分别与电阻R51、电阻R52的一端相连，芯片U3的4脚与电阻R54的一端相连，芯片U3的3脚通过电容C63接地，芯片U3的4脚通过电容C64接地，芯片U3的8脚通过滤波电容C65接地，芯片U3的7脚分别通过滤波电容C66、滤波电容C67接地，芯片U3的6脚通过电阻R56与MOS晶体管T1的4脚相连，芯片U3的5脚通过电阻R57分别与MOS晶体管T1的1、2、3脚相连，MOS晶体管T1的5、6、7、8脚并联后接滤波电感L8的一端相连，MOS晶体管T1的5脚与快速整流二极管D1的阳极相连，快速整流二极管D1的阴极分别通过滤波电容C69、滤波电容C70接地，快速整流二极管D1 的阴极作为直流偏置电压电路的输出端，与并行APD阵列的第一控制输入端相连。所述高速脉冲门控时序信号电路包括芯片U5、电阻R50、电源滤波电容C56～C59和信号耦合电容C60～C61，所述芯片U5为12.5GHz宽带功率放大器，其1脚通过并联的电源滤波电容C56、C59接地；其3脚通过并联的电源滤波电容C57、C58接地；其7脚接地；其8脚分别与信号耦合电容C60、电阻R50的一端相连，信号耦合电容C60的另一端接外部提供的高频信号源信号，电阻R50的另一端接地，芯片U5的9脚与信号耦合电容C61的一端相连，信号耦合电容C61的另一端作为高速脉冲门控时序信号电路的输出端，分别与并行APD阵列的第二控制输入端以及多通道光开关的第二输入端相连。所述多通道光开关包括芯片U4、有源晶振Y40、滤波电感L6～L7、电源滤波电容C40～C55和电阻R40～R45，所述芯片U4采用型号为EP1C6T144C8N的可编程FPGA控制器，芯片U4包括芯片U4A和芯片U4B两部分，芯片U4A的10脚通过电阻R40接有源晶振Y40的3脚，有源晶振Y40的2脚接地，有源晶振Y40的4脚分别与电阻R44、电源滤波电容C55的一端相连，电源滤波电容C55的另一端接地，电源滤波电容C40、C42、C44三者并联，且其一并联端分别接芯片U4A的8脚、滤波电感L6的一端，滤波电感L6的另一端接电源滤波电容C46的一端，电源滤波电容C46的另一端接地；电源滤波电容C41、C43、C45三者并联，且其一并联端分别接芯片U4A的29脚、滤波电感L7的一端，滤波电感L7的另一端接电源滤波电容C47的一端，电源滤波电容C47的另一端接地；电源滤波电容C52、C53、C54三者并联，该并联端的一端接芯片U4B的81脚，另一端接地；芯片U4B的73脚作为多通道光开关的第一输入端，与并行APD阵列的输出端相连，芯片U4B的105脚作为多通道光开关的第二输入端，与高速脉冲门控时序信号电路的输出端相连，芯片U4B的61、62、67～72脚作为多通道光开关的输出端，与多级低通滤波电路的输入端相连。所述多级低通滤波电路包括15级LC无源微波低通滤波器L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，其特征在于：包括用于驱动并行APD阵列的并行APD阵列驱动电路(10)，其输出端与并行APD阵列的控制输入端相连，并行APD阵列的输出端与用于将并行APD阵列输出的单光子信号转换成雪崩电信号并将该雪崩电信号提取出来的信号探测电路(20)的输入端相连，信号探测电路(20)的输出端与用于将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号信号的模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与用于对转换后的数字信号进行甄别探测和计数的信号处理电路(40)的输入端相连，信号处理电路(40)的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。

【技术特征摘要】
1.一种并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，其特征在于：包括用于驱动并行APD阵列的并行APD阵列驱动电路(10)，其输出端与并行APD阵列的控制输入端相连，并行APD阵列的输出端与用于将并行APD阵列输出的单光子信号转换成雪崩电信号并将该雪崩电信号提取出来的信号探测电路(20)的输入端相连，信号探测电路(20)的输出端与用于将提取出来的雪崩电信号转换成数字信号信号的模数转换电路的输入端相连，信号模数转换电路的输出端与用于对转换后的数字信号进行甄别探测和计数的信号处理电路(40)的输入端相连，信号处理电路(40)的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。2.根据权利要求1所述的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，其特征在于：所述并行APD阵列由分立的多个APD器件形成并行的阵列结构，或是由多个APD芯片集成在同一个芯片上封装成一个器件；所述并行APD阵列包含两个控制输入端和一个输出端，其中直流偏置电压信号输入作为第一控制输入端，交流门控偏置信号输入作为第二控制输入端，雪崩电信号输出作为输出端。3.根据权利要求1所述的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，其特征在于：所述并行APD阵列驱动电路(10)由直流偏置电压电路(11)、高速脉冲门控时序信号电路(12)以及多通道光开关(13)组成，所述信号探测电路(20)由多级低通滤波电路(21)和高速宽带放大电路(22)组成，所述模数转换电路采用高速比较电路(30)，所述信号处理电路(40)由数字信号甄别电路和计数器组成；所述直流偏置电压电路(11)的输出端与并行APD阵列的第一控制输入端相连，所述高速脉冲门控时序信号电路(12)的输出端与并行APD阵列的第二控制输入端相连，所述并行APD阵列的输出端与多通道光开关(13)的第一输入端相连，高速脉冲门控时序信号电路(12)的输出端还与多通道光开关(13)的第二输入端相连，多通道光开关(13)的输出端与多级低通滤波电路(21)的输入端相连，多级低通滤波电路(21)的输出端与高速宽带放大电路(22)的输入端相连，高速宽带放大电路(22)的输出端与高速比较电路(30)的输入端相连，高速比较电路(30)的输出端与数字信号甄别电路的输入端相连，数字信号甄别电路的输出端与计数器的输入端相连，计数器的输出端与数字信号输出电路的输入端相连。4.根据权利要求3所述的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系 统，其特征在于：所述直流偏置电压电路(11)包括芯片U3、MOS晶体管T1、快速整流二极管D1、滤波电感L8、电阻R51～R57、电容C62～C64以及滤波电容C65～C70，所述芯片U3为PWM开关控制芯片UC3845，电阻R53与电容C62并联，且该并联端的两端分别接芯片U3的1、2脚，芯片U3的2脚还分别与电阻R51、电阻R52的一端相连，芯片U3的4脚与电阻R54的一端相连，芯片U3的3脚通过电容C63接地，芯片U3的4脚通过电容C64接地，芯片U3的8脚通过滤波电容C65接地，芯片U3的7脚分别通过滤波电容C66、滤波电容C67接地，芯片U3的6脚通过电阻R56与MOS晶体管T1的4脚相连，芯片U3的5脚通过电阻R57分别与MOS晶体管T1的1、2、3脚相连，MOS晶体管T1的5、6、7、8脚并联后接滤波电感L8的一端相连，MOS晶体管T1的5脚与快速整流二极管D1的阳极相连，快速整流二极管D1的阴极分别通过滤波电容C69、滤波电容C70接地，快速整流二极管D1的阴极作为直流偏置电压电路(11)的输出端，与并行APD阵列的第一控制输入端相连。5.根据权利要求3所述的并行雪崩光电二极管阵列结构的红外单光子探测系统，其特征在于：所述高速脉冲门控时序信号电路(12)包括芯片U5、电阻R50、电源滤波电容C56～C59和信号耦合电容C60～C61，所述芯片U5为12.5GHz宽带功率放大器，其1脚通过并联的电源滤波电容C56、C59接地；其3脚通过并联的电源滤波电容C57、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐军，何德勇，易波，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34