一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒制造技术

本发明专利技术公开了一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒，包括筒状的杜瓦腔体，所述杜瓦腔体上端焊接密封有真空杜瓦上盖，所述杜瓦腔体下端与其下方制冷机的热沉之间密封连接；所述热沉上端设置有制冷机冷头，所述制冷机冷头延伸至杜瓦腔体内且其顶端设置有探测器安装圆盘，所述探测器安装圆盘在同一个圆周上均布用于安装单光子雪崩二极管的多个安装孔；所述单光子雪崩二极管的前端电子学PCB位于探测器安装圆盘上方且与探测器安装圆盘之间存在间隙。本发明专利技术通过在制冷机冷头上增设探测器安装圆盘，让多个单光子雪崩二极管集成在同一个小型杜瓦内，具有探测器制冷温度一致性高、工作温差大、体积小的优点。体积小的优点。体积小的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒


[0001]本专利技术涉及单光子探测、单光子雷达和量子保密通信领域，具体是一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒。

技术介绍

[0002]单光子雪崩二极管是进行单光子级光信号探测的关键器件，在量子通信、荧光检测、单光子雷达等领域有着重要的应用，尤其在量子通信中，单光子雪崩二极管的性能极大的限制着量子密钥分发的通信距离与成码率。
[0003]目前，量子密钥分发(QKD，Quantum Key Distribution)主要的技术实现方案是基于单光子偏振检测的BB84协议，该协议中通常使用四个单光子雪崩二极管分别对四个偏振方向的基矢进行单光子事件探测，然而，通信距离的增大使得QKD的成码率显著降低，其原因在于远距离光纤通信中，光纤对光信号的衰减已使得单光子雪崩二极管不能有效响应，因此，如何提高多个单光子雪崩二极管的性能显得尤为重要。
[0004]衡量单光子雪崩二极管性能的参数包括探测效率、暗计数、后脉冲、死时间等，其中暗计数是表征探测器噪声成分的主要指标，是影响量子密钥分发通信距离与成码率的关键参数。根据Korzh B等人发表在2014年Applied Physics Letters的文献《Korzh B,Walenta N,Lunghi T,et al.Free-running InGaAs single photon detector with 1dark count per second at 10％efficiency[J].Applied Physics Letters,2014,104(8):145.》表明，单光子雪崩二极管的暗计数率主要受到两个因素的影响：探测器制冷温度以及探测器量子隧穿电子概率，其中探测器量子隧穿电子概率受到探测器制造工艺和探测器结构的限制，目前的探测器制造工艺和探测器的结构已经有效的降低了隧穿电子过程的概率；探测器制冷温度是影响探测器本征载流子热激发的关键因素，降低本征载流子的热激发概率能够有效降低暗计数率，因此在实际应用当中，对探测器实施长期、高效、稳定地降低探测器的制冷温度是影响量子密钥分发距离的关键。
[0005]在光电系统中常用的制冷方案有，基于半导体制冷片(TEC，Thermal Electric Cooler)和循环制冷机两种制冷方案，而液氮制冷等类似的低温获取方式，因其使用风险和维护困难，很少在实用化的QKD设备中使用。
[0006]目前，广泛使用的半导体制冷方案的基本原理如专利CN103336336A中所述，如图1所示，在保温腔内部安装一个或两个TEC，并在每个TEC冷端安装两个单光子雪崩二极管，将探测器管(即单光子雪崩二极管)置于管夹上，管夹固定在TEC上安装在制冷盒中央，冷侧贴于管夹下，通过管夹对探测器管进行制冷，探测器管连接光纤穿过腔壁后进行胶密封，探测器的接头光纤通过盒子上的密封接口组件引出，偏置电压信号通过腔壁上的连接器接入，门控信号的输入和雪崩信号的输出通过腔壁上的微型射频接口实现，每个通道的探测器之间使用屏蔽隔板来解决信号串扰问题。在TEC的热端安装高散热效率热沉并配合散热风扇进行强迫对流换热，该方法振动小、体积适中。不过，根据文献资料显示，目前商用的四阶TEC最大温差可以达到128℃，通过提高阶数虽然可以提高TEC的温差，但是制冷功率的提升
却十分有限，使得该制冷方案无法再进一步缩减自身体积。
[0007]采用循环制冷机进行制冷的方式虽有力地克服了半导体制冷的制冷功率不足、环境适应性不佳、制冷深度过浅等问题，但市面上的循环制冷机都或多或少的存在以下缺点：1、大功率制冷机具有体积大、质量重、难以集成，常见的制冷机在环境温度为27℃时，-100℃下的总输入功率高达100W，在功率敏感的应用场合难以使用；2、小功率制冷机虽然有较小的体积及质量重，但其冷端尺寸结构依然较大，探测器与其集成后的体积缩小优势不明显。
[0008]因此综上所述，亟需一种能够实现将多个单光子雪崩二极管置于一个小型组件内的高集成度的长久深度制冷的装置。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题为：现有的产品中不能够实现将多个单光子雪崩二极管置于一个小型组件内，集成度低且难以长久深度制冷。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒，包括筒状的杜瓦腔体，所述杜瓦腔体上端焊接密封有真空杜瓦上盖，所述杜瓦腔体下端与其下方制冷机的热沉之间密封连接；所述热沉上端设置有制冷机冷头，所述制冷机冷头延伸至杜瓦腔体内且其顶端设置有探测器安装圆盘，所述探测器安装圆盘在同一个圆周上均布用于安装单光子雪崩二极管的多个安装孔；所述单光子雪崩二极管的前端电子学PCB位于探测器安装圆盘上方且与探测器安装圆盘之间存在间隙，所述前端电子学PCB通过信号线缆与真空杜瓦上盖上的电子学信号接插件电连接；所述杜瓦腔体侧壁上设置有多通道的光纤出口，所述光纤出口分别通过光纤与对应的单光子雪崩二极管连接。
[0012]作为本专利技术进一步的方案：所述杜瓦腔体侧壁上设置有与外部真空泵组连通的铜管。
[0013]作为本专利技术再进一步的方案：所述制冷机为小型热声制冷机，且采用双侧对称同相位直线电机作为声波产生源。
[0014]作为本专利技术再进一步的方案：所述真空杜瓦上盖为内安装式真空杜瓦上盖。
[0015]作为本专利技术再进一步的方案：所述安装孔内设置有与单光子雪崩二极管匹配的金属铟垫。
[0016]作为本专利技术再进一步的方案：所述杜瓦腔体内孔空隙处设置有吸附剂存储盒，所述吸附剂存储盒内填充有真空吸附剂。
[0017]作为本专利技术再进一步的方案：位于杜瓦腔体外部的光纤采用FC/UPC接口。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过在制冷机冷头上增设探测器安装圆盘，让多个单光子雪崩二极管集成在同一个小型杜瓦内，具有探测器制冷温度一致性高、工作温差大、体积小的优点；实现内部连接和降低引线传热的前提下，缩短了内部信号线缆的长度，有利于减少寄生参数，提高信号幅度，减小信号半高宽。
附图说明
[0019]图1为现有制冷盒的结构示意图。
[0020]图2为实施例的结构示意图。
[0021]图3为实施例中探测器安装圆盘的结构示意图。
[0022]图中：1-热沉，2-杜瓦腔体，3-制冷机冷头，4-单光子雪崩二极管，5-前端电子学PCB，6-光纤，7-光纤出口，8-信号线缆，9-真空杜瓦上盖，10-铜管。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]请参阅图2-3，一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒，包括筒状的杜瓦腔体2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒，其特征在于，包括筒状的杜瓦腔体，所述杜瓦腔体上端焊接密封有真空杜瓦上盖，所述杜瓦腔体下端与其下方制冷机的热沉之间密封连接；所述热沉上端设置有制冷机冷头，所述制冷机冷头延伸至杜瓦腔体内且其顶端设置有探测器安装圆盘，所述探测器安装圆盘在同一个圆周上均布用于安装单光子雪崩二极管的多个安装孔；所述单光子雪崩二极管的前端电子学PCB位于探测器安装圆盘上方且与探测器安装圆盘之间存在间隙，所述前端电子学PCB通过信号线缆与真空杜瓦上盖上的电子学信号接插件电连接；所述杜瓦腔体侧壁上设置有多通道的光纤出口，所述光纤出口分别通过光纤与对应的单光子雪崩二极管连接。2.根据权利要求1所述的基于杜瓦结构的单光子雪崩二极管制冷盒，其特征在于，所述杜瓦腔体侧壁上设置有与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓刚，蒋连军，唐世彪，刘建宏，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：