基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器

本技术涉及量子保密通信，特别涉及一种基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器。

背景技术：

1、量子保密通信物理实现中最核心器件的是红外单光子探测器，特别是高速红外单光子探测器，对于这一器件的自主研发，一方面可以提高量子保密通信系统的时钟频率，促进量子保密通信的实用化，另一方面可以进一步保证量子保密通信系统的安全性(目前已知的部分攻击行为是针对单光子探测器的非完美性而设计的)。另外，单光子探测器作为一种极微弱光探测技术，不仅在量子保密通信中有重要的作用，而且在光纤传感、高分辨率光谱测量、高速现象检测、精密分析、非破坏性物质分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、地球科学、空间科学等需要微弱光探测的领域也有重要应用。

2、目前能实现近红外单光子探测的主要有铟镓砷铟磷雪崩光电二极管、结合频率上转换的硅雪崩光电二极管、以及超导系列单光子探测器(如超导纳米带状单光子探测器、超导边缘跃变传感器单光子探测器、超导隧道结单光子探测器等)。但是结合频率上转换的硅雪崩光电二极管在红外单光子探测中背景噪声严重，而超导系列单光子探测器需要超低温。在红外单光子探测中最实用的只有铟镓砷铟磷雪崩光电二极管。用铟镓砷铟磷雪崩光电二极管探测红外单光子的基本原理是：红外单光子探测器基本都工作在门控模式下，在门控时间内，铟镓砷铟磷雪崩二极管apd两端的电压大于雪崩电压，处于盖革模式下，此时若有光子到达吸收层并产生电子-空穴对，将引起apd的雪崩过程输出宏观电流，产生雪崩信号；但每次雪崩之后，由于铟镓砷铟磷硅雪崩光电二极管存在掺杂缺陷，部分光生载流子会被铟镓砷铟磷硅雪崩光电二极管中的掺杂缺陷俘获，并随时间逐渐释放，这些载流子在apd恢复盖革模式后同样也会激发雪崩，形成后脉冲。另外，由于apd的电容效应，当在其上加载门控信号后会同时输出一个较大幅度的容性噪声，与探测器雪崩信号叠加在一起，传统的红外单光子探测器都是通过提高雪崩信号的幅度，进而完成信号的鉴别和提取。但是，较大的雪崩信号会导致较多的俘获载流子，从而引发较高的后脉冲效应以及较长的死时间，这就严重限制了单光子探测器的时钟工作频率，所以传统的红外单光子探测器都只可以工作在mhz频率下，最高也不超过20mhz，这严重限制了红外单光子探测器的性能和应用，是阻碍量子保密通信实用化的技术瓶颈之一。

3、为了提高铟镓砷铟磷硅雪崩光电二极管门控信号的重复频率，必须进一步降低后脉冲概率，可能的方法是限制高铟镓砷铟磷硅雪崩光电二极管的雪崩增益，进一步减少雪崩过程产生的载流子数目，但这又会导致雪崩信号十分微弱，一般要比门控信号的容性噪声小两个数量级，因此必须通过有效抑制电容噪声，提高检测雪崩信号的灵敏度，才能有效的提取雪崩信号。由此可见，如何有效抑制电容噪声是高速红外单光子探测器的关键技术。当前主要采用正弦波门控带阻滤波的方案实现高速红外单光子探测器，然而，由于正弦波门控上升沿下降沿过于缓慢，该方案的高速红外单光子探测器的暗计数和后脉冲过高，在长距离高速量子保密通信系统中研制限制了成码率的提高。

技术实现思路

1、为此，本实用新型提供一种基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，利用损耗匹配自差分平衡的电路结构来抑制电容噪声，提高检测雪崩信号的灵敏度，从而有效提取雪崩信号，提高高速红外单光子探测器的探测效率，降低后脉冲概率，保证量子保密通信安全性能。

2、按照本实用新型所提供的设计方案，一种基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，包含：用于输出周期脉冲信号来作为雪崩二极管电路门控信号的脉冲门控功率源；用于为雪崩二极管电路提供直流偏压的直流偏置电路；与脉冲门控功率源和直流偏置电路连接并用于对雪崩二极管温度进行调控的温控模块，依据门控信号产生容性响应噪声和雪崩信号的雪崩二极管电路封装在温控模块内；与门控模块连接用于将雪崩二极管电路产生的由容性响应噪声和雪崩信号组成的混合信号进行损耗匹配的自差分平衡电路模块；及与自差分平衡电路模块用于提取雪崩信号并计数的信号处理电路模块。

3、作为本实用新型基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，进一步地，所述脉冲门控功率源包含：依次进行电路连接的精密时钟源g、高速比较器cmp1、rc电路、宽带放大器amp、高速比较器cmp2及高功率放大器hpa，其中，精密时钟源g输出的高频时钟信号分为两路，一路作为同步信号输出至用户端，另一路高速比较器cmp1连接，以产生重复频率相同的信号，该信号经rc电路进行微分后产生双极性电脉冲，宽大放大器amp对双极性电脉冲进行放大处理并将放大处理后的电脉冲输入高速比较器cmp2，利用高速比较器cmp2来获取脉冲宽度可调的单极性电脉冲，高功率放大器hpa对单极性电脉冲进行脉冲放大处理，并将脉冲放大处理后的脉冲信号作为雪崩二极管门控信号。

4、作为本实用新型基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，进一步地，所述精密时钟源g由晶体振荡器、锁相环电路及压控振荡器组成，晶体振荡器作为基准振荡器，与压控振荡器及锁相环电路组合来产生高频时钟信号。

5、作为本实用新型基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，进一步地，所述自差分平衡电路模块包含：用于将雪崩二极管电路产生的混合信号划分两路信号的0°功分器，及用于将两路信号进行合并的180°合路器；其中，0°功分器将输出的两路信号通过两根长度和平均损耗均不相同的同轴电缆传输至180°合路器。

6、作为本实用新型基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，进一步地，所述信号处理电路模块包含：用于对自差分平衡电路模块输出信号进行放大处理的宽带放大器，与宽带放大器连接用于将放大处理后的信号进行甄别提取的高速比较器，及与高速比较器连接用于对甄别提取信号进行技术的计数器。

7、本实用新型的有益效果：

8、本实用新型结构简单、紧凑，设计科学、合理，利用损耗匹配自差分平衡的电路结构来抑制电容噪声，提高检测雪崩信号的灵敏度，降低雪崩信号幅度，进而有效降低后脉冲概率，从而有效提高红外单光子探测器的工作频率，通常工作频率可达ghz；利用单位损耗不同的同轴电缆来实现损耗匹配自差分平衡，性能稳定，成本低，能够对铟镓砷铟磷雪崩二极管容性响应噪声起到较好的抑制效果，同时对铟镓砷铟磷雪崩二极管的雪崩信号损耗小，有效提高信噪比，从而提高检测雪崩信号的灵敏度及探测器的探测效率，具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，其特征在于，包含：用于输出周期脉冲信号来作为雪崩二极管电路门控信号的脉冲门控功率源；用于为雪崩二极管电路提供直流偏压的直流偏置电路；与脉冲门控功率源和直流偏置电路连接并用于对雪崩二极管温度进行调控的温控模块，依据门控信号产生容性响应噪声和雪崩信号的雪崩二极管电路封装在温控模块内；与门控模块连接用于将雪崩二极管电路产生的由容性响应噪声和雪崩信号组成的混合信号进行损耗匹配的自差分平衡电路模块；及与自差分平衡电路模块用于提取雪崩信号并计数的信号处理电路模块。

2.根据权利要求1所述的基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，其特征在于，所述脉冲门控功率源包含：依次进行电路连接的精密时钟源g、高速比较器cmp1、rc电路、宽带放大器amp、高速比较器cmp2及高功率放大器hpa，其中，精密时钟源g输出的高频时钟信号分为两路，一路作为同步信号输出至用户端，另一路高速比较器cmp1连接，以产生重复频率相同的信号，该信号经rc电路进行微分后产生双极性电脉冲，宽大放大器amp对双极性电脉冲进行放大处理并将放大处理后的电脉冲输入高速比较器cmp2，利用高速比较器cmp2来获取脉冲宽度可调的单极性电脉冲，高功率放大器hpa对单极性电脉冲进行脉冲放大处理，并将脉冲放大处理后的脉冲信号作为雪崩二极管门控信号。

3.根据权利要求2所述的基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，其特征在于，所述精密时钟源g由晶体振荡器、锁相环电路及压控振荡器组成，晶体振荡器作为基准振荡器，与压控振荡器及锁相环电路组合来产生高频时钟信号。

4.根据权利要求1所述的基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，其特征在于，所述自差分平衡电路模块包含：用于将雪崩二极管电路产生的混合信号划分两路信号的0°功分器，及用于将两路信号进行合并的180°合路器；其中，0°功分器将输出的两路信号通过两根长度和平均损耗均不相同的同轴电缆传输至180°合路器。

5.根据权利要求1或4所述的基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，其特征在于，所述信号处理电路模块包含：用于对自差分平衡电路模块输出信号进行放大处理的宽带放大器，与宽带放大器连接用于将放大处理后的信号进行甄别提取的高速比较器，及与高速比较器连接用于对甄别提取信号进行技术的计数器。

技术总结
本技术涉及量子保密通信技术领域，特别涉及一种基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器，包含：用于输出周期脉冲信号来作为雪崩二极管电路门控信号的脉冲门控功率源；用于为雪崩二极管电路提供直流偏压的直流偏置电路；与脉冲门控功率源和直流偏置电路连接并用于对雪崩二极管温度进行调控的温控模块，依据门控信号产生容性响应噪声和雪崩信号的雪崩二极管电路封装在温控模块内；与门控模块连接用于将雪崩二极管电路产生的由容性响应噪声和雪崩信号组成的混合信号进行损耗匹配的自差分平衡电路模块；及与自差分平衡电路模块用于提取雪崩信号并计数的信号处理电路模块。本技术可提高检测雪崩信号的灵敏度及高速红外单光子探测器的探测效率，有效提取雪崩信号，降低后脉冲概率。

技术研发人员：江木生,赵燕美,周雨,鲍皖苏,李宏伟,周淳,汪翔,张海龙,汪洋,李家骥
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：20231024
技术公布日：2024/4/29