光子数分辨平衡探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种光子数分辨平衡探测器，包括光子数分辨平衡电路、正向偏压电路、负向偏压电路、信号放大预处理电路和雪崩信号提取鉴别电路。该平衡探测器采用一对匹配良好的光子数分辨探测模块来接收光波信号，其特有的光子数分辨本领能够克服死时间对光子探测的影响，可同时响应相干混频信号和背景噪声。通过将这对光子数分辨探测模块的输出响应进行差分处理，能够使相干混频信号被差分放大而背景噪声被差分抑制。本发明专利技术具备了背景噪声抑制能力并实现了较高的共模抑制比，最终将相干探测的灵敏度提升至光子量级。能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整光子数分辨探测模块的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。 1

【技术实现步骤摘要】
光子数分辨平衡探测器
本专利技术涉及光电探测器，特别是一种基于光子数分辨探测技术的光子数分辨平衡探测器，属于高灵敏度探测和光量子通信领域。
技术介绍
光学相干探测技术通过将信号光和本振光混频后，利用平衡探测器接收相干混频信号并进行差分放大，从而实现很高的共模抑制比和探测灵敏度，有利于增加相干探测系统的作用距离；另外，配合高速调制和解调技术可以提取出光波信号的多普勒频移和相位信息，有利于增加探测信息量。广泛应用于相干激光雷达，相干光通信、量子通信等领域。而平衡探测器作为光学相干探测技术的核心关键器件，一般通过一对匹配良好的普通光电二极管来接收相干混频信号，再利用差分放大技术来抑制背景光、尖峰脉冲等共模噪声，从而实现高灵敏度的微弱信号检测能力。传统的平衡探测器采用普通光电二极管来接收相干混频信号，由于受到普通光电二极管的探测性能制约，其难以实现光子量级的探测灵敏度。即便采用性能更优良的线性模式雪崩光电二极管(Linearmodeavalanchephotodiode,LMAPD)，其探测灵敏度仍然无法达到光子量级。在门控模式的单光子探测中，为了能够消除门控信号引入的尖峰脉冲，盖革模式雪崩光电二极管(Geigermodeavalanchephotodiode,GMAPD)被设计为平衡探测方式，通过一对匹配良好的GMAPD配以平衡电路来达到尖峰脉冲抑制的目的，但其对于背景噪声抑制而言是无能为力的，因而本质上并不能称为平衡探测器。最主要的原因在于，GMAPD存在死时间的明显缺陷，当GMAPD探测到一个光子事件时会产生雪崩现象，在淬灭电路完成对雪崩信号进行抑制之前，GMAPD无法响应新的光子事件。死时间的存在严重降低了GMAPD的光子探测效率，使得GMAPD无法同时响应相干混频信号和背景噪声，因而也无法抑制背景噪声。虽然采用主被动结合的猝灭电路可以使死时间缩短到纳秒量级，但是在众多的单光子探测应用场合，例如激光雷达、激光通信等，必须考虑死时间对光子探测效率的影响。总而言之，截至目前仍然没有一款能够达到光子量子探测灵敏度的平衡探测器。为了抑制背景噪声干扰，提高光子量级微弱信号的探测灵敏度，必须克服死时间对微弱信号探测的影响。只有在同一时刻既响应到相干混频信号又响应到背景噪声，才能在后续的差分放大中消除背景噪声，提高共模抑制比进而提高相干混频信号的探测灵敏度。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术提出了光子数分辨平衡探测器。该探测器不仅能够实现光子量级微弱信号的相干探测，还具备光子数分辨能力，可以同时响应相干混频信号和背景噪声而几乎不受死时间的影响。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：光子数分辨平衡探测器，该平衡探测器包括光子数分辨平衡电路、正向偏压电路、负向偏压电路、信号放大预处理电路、雪崩信号提取鉴别电路；所述的光子数分辨平衡电路包括第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块，用于同时接收两路相干混频信号；所述的正向偏压电路包括第一反馈控制模块和第一偏压驱动模块；所述的负向偏压电路包括第二反馈控制模块和第二偏压驱动模块；所述的信号放大预处理电路包括第一通道信号预处理电路、第二通道信号预处理电路和差分运算放大模块，而第一通道信号预处理电路又包括第一取样电路和第一滤波放大电路，第二通道信号预处理电路也包括第二取样电路和第二滤波放大电路，两个通道的信号由差分运算放大模块进行差分处理，共模信号被差分抑制而差模信号被差分放大；所述的雪崩信号提取鉴别电路包括第一单端信号提取鉴别电路，差分信号提取鉴别电路和第二单端信号提取鉴别电路，而第一单端信号提取鉴别电路又包括第一雪崩信号提取电路和第一雪崩信号鉴别电路，差分信号提取鉴别电路又包括雪崩信号提取电路和雪崩信号鉴别电路，第二单端信号提取鉴别电路又包括第二雪崩信号提取电路和第二雪崩信号鉴别电路；第一单端信号提取鉴别电路和第二单端信号提取鉴别电路分别对第一通道信号预处理电路和第二通道信号预处理电路的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由直接输出端1和3输出；而差分信号提取鉴别电路对差分运算放大模块的输出响应进行雪崩信号提取和鉴别，最后由差分输出端2输出，如此一来，光子数分辨平衡探测器既能够当作单元探测器用于直接探测，由能够当作平衡探测器用于相干探测。其中，采用了第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块来接收光波信号，能够实现光子量级微弱信号的探测，还具备光子数分辨本领，能够有效克服死时间对光子探测的影响，可同时响应信号光和背景光。其中，采用了光子数分辨平衡电路，能够将第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块响应的信号光和背景光进行差分处理，由此具备背景噪声抑制能力。其中，采用了光子数分辨平衡电路，能够将探测模块和电路产生的共模信号和尖峰脉冲进行差分抑制，由此提高探测器的信噪比和共模抑制能力。其中，采用了第一反馈控制模块和第二反馈控制模块分别对正向偏压和负向偏压进行反馈控制，能够根据响应信号的强弱来判断输入光波信号的强度，进而合理调整第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的增益，提高光子数分辨平衡探测器的动态范围。其中，采用了雪崩信号提取鉴别电路对单端信号和差分信号分别处理，可同时输出单个探测模块的直接信号和两个探测模块的差分信号，既能够用于直接探测，又能够用于相干探测。本专利技术的原理在于：本专利技术采用了一对匹配良好的光子数分辨探测模块(即第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块)来接收相干混频信号。这两个光子数分辨探测模块均由大量的具有单光子探测能力的微像元组成，当某一个微像元响应光子事件进入死时间时，其他的微像元仍然能够响应后续的光子事件。如此一来，死时间对光波信号探测的影响几乎可以忽略不计，大量微像元又使得光子数分辨探测模块具备了光子数分辨能力，能够同时响应相干混频信号和背景噪声。第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块响应的相干混频信号和背景噪声，经过后续的信号放大预处理电路进行差分处理后，差模信号(相干混频信号)得到放大而共模信号(背景噪声，探测模块自身噪声等)被差分抑制，最终使得相干混频信号的频谱能够被有效地识别出来，从而实现光子量级灵敏度的光学相干探测。所述的光子数分辨平衡电路中，由第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块完成对相干混频信号和背景光的探测接收。所述的正向偏压电路和负向偏压电路，分别为第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块提供偏置电压，使得探测模块工作在单光子探测模式，并根据接收到的光信号强度来调整电压偏置量，确保光子数分辨探测器能够在宽动态范围内稳定工作；所述的信号预处理电路，主要完成对第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的输出响应进行取样、滤波放大和差分处理，对差模信号进行差分放大而对共模信号进行差分抑制，从而提高共模抑制比和探测灵敏度；所述的雪崩信号提取鉴别电路，根据设定的阈值对第一光子数分辨探测模块和第二光子数分辨探测模块的雪崩输出响应进行提取和鉴别，最终作为光子数分辨探测器的输出信号。多元输出方式使得光子数分辨平衡探测器既能够用于直接探测，又能够用于相干探测。与现有技术相比，本专利技术所述的光子数分辨平衡探测器的优势在于：该平衡探测器具备光子数分辨能力，能够同时响应相干混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光子数分辨平衡探测器，其特征在于：该平衡探测器包括光子数分辨平衡电路

【技术特征摘要】
1.光子数分辨平衡探测器，其特征在于：该平衡探测器包括光子数分辨平衡电路(100)、正向偏压电路(200)、负向偏压电路(300)、信号放大预处理电路(400)、雪崩信号提取鉴别电路(500)；所述的光子数分辨平衡电路(100)包括第一光子数分辨探测模块(110)和第二光子数分辨探测模块(120)，用于同时接收两路相干混频信号；所述的正向偏压电路(200)包括第一反馈控制模块(210)和第一偏压驱动模块(220)；所述的负向偏压电路(300)包括第二反馈控制模块(310)和第二偏压驱动模块(320)；所述的信号放大预处理电路(400)包括第一通道信号预处理电路(410)、第二通道信号预处理电路(420)和差分运算放大模块(430)，而第一通道信号预处理电路(410)又包括第一取样电路(411)和第一滤波放大电路(412)，第二通道信号预处理电路(420)也包括第二取样电路(421)和第二滤波放大电路(422)，两个通道的信号由差分运算放大模块(430)进行差分处理，共模信号被差分抑制而差模信号被差分放大；所述的雪崩信号提取鉴别电路(500)包括第一单端信号提取鉴别电路(510)，差分信号提取鉴别电路(520)和第二单端信号提取鉴别电路(530)，而第一单端信号提取鉴别电路(510)又包括第一雪崩信号提取电路(511)和第一雪崩信号鉴别电路(512)，差分信号提取鉴别电路(520)又包括雪崩信号提取电路(521)和雪崩信号鉴别电路(522)，第二单端信号提取鉴别电路(530)又包括第二雪崩信号提取电路(531)和第二雪崩信号鉴别电路(532)；第一单端信号提取鉴别电路(510)和第二单端信号提取鉴别电路(530)分别对第一通道信号预处理电路(410)和第二通道信号预处理电路(420...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈臻，刘博，于洋，王华闯，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51