本发明专利技术涉及一种全集成型高速单光子探测系统，包括精密时钟源V1，精密时钟源V1的输出端与输入滤波及放大模块的输入端相连，输入滤波及放大模块的输出端与温控模块相连，雪崩光电二极管APD、低噪声直流偏置电源P1封装在温控模块内，温控模块通过定向耦合器与输出滤波及放大模块的输入端相连，输出滤波及放大模块的输出端通过甄别符合及死时间设置模块与计数模块相连。本发明专利技术还公开了一种全集成型高速单光子探测系统的探测方法。本发明专利技术可严格抑制后脉冲效应，探测系统工作频率可达2GHz，计数率可达100MHz，特别适合于量子密码系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及量子通信、量子密码等需要极微弱光探测的领域，具体是一种。
技术介绍
单光子探测器是进行超弱光探测的主要工具，在众多领域中有着广泛的应用。单光子探测器的基本工作原理是雪崩光电二极管APD工作在盖革模式，即雪崩二极管的反向偏置电压超过二极管的雪崩电压。当入射的单个光子被吸收后，会产生一对载流子，由于碰撞电离效应，载流子会形成雪崩效应并最终输出宏观电流，后端的淬灭电路在探测到雪崩信号后会复位电路到初始状态，以用于探测下一个光子并同时输出探测信号。在每次雪崩之后，由于倍增层材料的缺陷和杂质，会捕获部分雪崩过程中产生的具有一定寿命的载流子，当被捕获的载流子释放时，如果雪崩二极管仍然工作在盖革模式，那么这个释放的载流子就有可能再次激发一次雪崩信号，这种效应称为后脉冲效应，后脉冲效应严重限制了单光子探测器的性能。除了基于雪崩光电二极管的单光子探测器，也存在着其他类型的单光子探测技术，比如光电倍增管和超导单光子探测器。由于光电倍增管的探测效率极低，当前已经极少有人使用；至于超导单光子探测器，需要体积庞大、操作繁琐且价格昂贵的超低温冷却系统，所以难以在实际应用中使用。相比较而言，基于雪崩光电二极管的单光子探测器具有体积小、便于系统集成、不需要超低温而只需要普通热电制冷、成本低等众多优势。然而，由于技术的限制，传统的单光子探测器的工作频率通常在MHz量级，最高也不超过20 MHz，这严重限制了探测器及应用系统的性能。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于提供一种能够严格抑制后脉冲效应、大大提高计数率的全集成型高速单光子探测系统。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种全集成型高速单光子探测系统，包括精密时钟源VI，精密时钟源Vl的输出端与输入滤波及放大模块的输入端相连，输入滤波及放大模块的输出端与温控模块相连，雪崩光电二极管APD、低噪声直流偏置电源 Pl封装在温控模块内，温控模块通过定向耦合器与输出滤波及放大模块的输入端相连，输出滤波及放大模块的输出端通过甄别符合及死时间设置模块与计数模块相连。本专利技术还公开了一种全集成型高速单光子探测系统的探测方法，该方法包括下列顺序的步骤(1)温控模块上电，雪崩光电二极管APD开始自动冷却并达到稳定状态，探测系统的低噪声直流偏置电源Pl开始上电并缓慢上升到设定电压值，同时探测系统所有其他部分开始上电，探测系统处于工作状态；(2)设定甄别符合及死时间设置模块的参数值后，控制系统会自动提高低噪声直流偏置电源Pl的电压，直到探测器的探测效率达到用户指定的数值，当探测效率达到用户指定的数值后，探测系统处于准备接收光子状态；(3)当激光脉冲的光子到达后，控制系统开始扫描压控相移器Sl的控制电压并寻找峰值点，计数模块实时显示光子探测计数率。由上述技术方案可知，本专利技术的工作频率高，通常工作频率可达2 GHz，计数率可达100 MHz0由于探测器工作频率非常高，有效门控时间极短，因此后脉冲效应得到了严格地抑制；甄别符合及死时间设置模块可最大程度地避免误甄别事件，从而有效降低了探测器的暗计数，提高了计数率，因此特别适合于量子密码系统。附图说明图1是本专利技术的电路框图2是本专利技术中单光子雪崩信号的波形图。具体实施例方式一种全集成型高速单光子探测系统，包括精密时钟源VI，精密时钟源Vl通过高稳定性压控晶体振荡器及锁相环电路实现，提供门控时钟信号及系统同步信号。精密时钟源 Vl的输出端分别与输入滤波及放大模块1的输入端、压控相移器Sl的输入端相连，压控相移器Si精密调节光子到达门控信号的位置，使得高速单光子探测系统的计数率始终保持在最高值。输入滤波及放大模块1的输出端与温控模块2相连，雪崩光电二极管APD、低噪声直流偏置电源Pl封装在温控模块2内，温控模块2的温度可由用户控制。温控模块2通过定向耦合器3与输出滤波及放大模块4的输入端相连，输出滤波及放大模块4的输出端通过甄别符合及死时间设置模块5与计数模块6相连，如图1所示。本专利技术可适用于铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管以及低雪崩电压的硅雪崩光电二极管。如图1所示，所述的输入滤波及放大模块1由低噪声射频功率放大器Al和带通滤波器Fl组成，输入滤波及放大模块1进一步改善门控时钟信号的频谱特性和放大信号幅度，精密时钟源Vl的输出端与低噪声射频功率放大器Al的输入端相连，低噪声射频功率放大器Al的输出端与带通滤波器Fl的输入端相连；雪崩光电二极管APD、电阻R1、交流耦合输出电路和低噪声直流偏置电源Pl封装在温控模块2内，电阻Rl的一端接地，电阻Rl的另一端与雪崩光电二极管APD的阴极相连。带通滤波器Fl的输出端分别与电阻Rl和雪崩光电二极管APD的阴极相连。所述的交流耦合输出电路由电阻R2和电容Cl组成，电阻R2 的一端接低噪声直流偏置电源P1，电阻R2的另一端接雪崩光电二极管APD的阳极，电容Cl 的一端分别与电阻R2和雪崩光电二极管APD的阳极相连，电容Cl的另一端与定向耦合器3 的输入端相连。交流耦合输出电路跟传统的直流耦合输出电路相比，雪崩信号的幅度会更大因而更容易被后端电路探测到。定向耦合器3用于隔离交流耦合输出电路和输出滤波及放大模块4。如图1所示，带集成压控振荡器的精密时钟源Vl提供高频的主时钟门控信号以及全局的系统同步时钟信号。高频的主时钟门控信号经过低噪声射频功率放大器Al、带通滤波器Fl后输出峰峰值幅度为10 V左右的正弦门控信号，并直流耦合至雪崩光电二极管APD 的阴极，同时高频的主时钟门控信号的频谱噪声得到了进一步的抑制。电阻Rl为信号的终端匹配，雪崩光电二极管APD的阳极经过交流耦合输出电路输出APD容性响应信号和雪崩信号的叠加信号。此外，定向耦合器3可进一步使得输出信号进行单向传输从而避免让反射信号影响雪崩光电二极管APD。如图1所示，由于雪崩光电二极管APD是一种非线性器件，所以即使输入门控信号的频谱是完美的单频率，在雪崩光电二极管APD的容性响应信号频谱中也会有谐波信号。 因此，除了对主频率进行滤波外，对主频率的谐波信号进行滤波也是必不可少的。精密时钟源Vl的另一路信号通过压控相移器Sl后输出至Q2，用于触发激光脉冲信号。此外，精密时钟源Vl提供两路系统同步信号，分别输出至Q3和Q4，由用户使用。如图1所示，所述的输出滤波及放大模块4由带阻滤波器F2、超低噪声射频放大器A2、带阻滤波器F3和低通滤波器F4组成，所述的定向耦合器3的输出端通过带阻滤波器 F2与超低噪声射频放大器A2的输入端相连，超低噪声射频放大器A2的输出端通过带阻滤波器F3与低通滤波器F4的输入端相连，所述的甄别符合及死时间设置模块5由高速双甄别电路、精密延迟线Tl和高速符合及逻辑死时间设置电路COIN组成，所述的高速双甄别电路由高速甄别器D1、D2组成，低通滤波器F4的输出端分别与高速甄别器D1、D2的输入端相连，高速甄别器Dl的输出端通过精密延迟线Tl与高速符合及逻辑死时间设置电路COIN的输入端相连，高速甄别器D2的输出端与高速符合及逻辑死时间设置电路COIN的输入端相连，高速符合及逻辑死时间设置电路COIN的输出端与计数模块6相连。高速符合及逻辑死时间设置电路COIN由符合电路和逻辑死时间设置电路两部分组成，其中，符合电路是从双甄别电路中本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种全集成型高速单光子探测系统，其特征在于：包括精密时钟源Ｖ１，精密时钟源Ｖ１的输出端分别与输入滤波及放大模块的输入端、压控相移器Ｓ１的输入端相连，输入滤波及放大模块的输出端与温控模块相连，雪崩光电二极管ＡＰＤ、低噪声直流偏置电源Ｐ１封装在温控模块内，温控模块通过定向耦合器与输出滤波及放大模块的输入端相连，输出滤波及放大模块的输出端通过甄别符合及死时间设置模块与计数模块相连。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张军，
申请(专利权)人：张军，
类型：发明
国别省市：34
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