[发明专利]一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种近红外波段的单光子探测器，特别涉及一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外波段单光子探测器，属于近红外波段的量子保密通信和微弱光信号探测等领域。

背景技术

单光子探测技术可以广泛应用于量子密钥分配（QKD）、激光雷达(lidar)、光纤传感(fiber optical sensing)、光纤通信(fiber optical communication)等领域。通过正弦门控的雪崩光电二极管进行单光子探测是一种常用的方法，通过仅在光子到达时刻提升雪崩光电二极管APD偏置电压，可以在保证探测效率的前提下，大大提升探测速率并降低暗计数发生的概率。

但是由于雪崩光电二极管APD结电容的高通耦合特性，采用门控模式淬灭雪崩时，探测器的输出会受到与门控信号同频的正弦状噪声干扰。而单光子的雪崩信号幅度相对于噪声水平较小，如何从强干扰噪声中提取出雪崩脉冲信号就变得十分重要。提升反向偏置电压从而增加雪崩增益以提高雪崩信号幅度是一种常见的方案。但是InGaAs/InP APD的材料中总是存在一些缺陷。在雪崩过程中，雪崩增益激发的大量载流子会以一定的概率被这些材料缺陷捕获，并经历一定的时间后释放。这些延时释放的载流子有可能再次激发雪崩信号，产生所谓“后脉冲”效应。显然后脉冲是一种假信号，其发生概率应被尽量抑制。延长门控信号的重复周期可以有效降低后脉冲概率，但是这就限制了探测速率。为了提高探测速率，只能够使用较小的雪崩增益，此时雪崩信号的幅度相对于峰状噪声水平就变得更低，信号提取更加困难。

传统上采用选频特性极佳的带阻滤波器抑制这一正弦噪声分量，取出雪崩信号。但是其探测速率是固定的，由滤波器中心频率决定。因此其探测速率的适应性不强，一旦探测器完成设计，其工作速率就是固定的，灵活性差。且由于高性能的滤波器的几何尺寸通常与波长相比拟，对于吉赫兹的探测器，延迟线或滤波器的尺寸均在数十厘米以上，使得整个探测器系统体积仍显庞大，不利于便携式的现场应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种探测频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，无需使用带阻滤波器等器件就可以有效抑制雪崩光电二极管APD结电容耦合的噪声，提高探测器的灵敏度。该技术同时具有高探测速率、高量子效率、低暗计数与后脉冲概率以及结构紧凑、无超低温要求、成本低等优点，是实现近红外波段高速单光子探测的理想方案。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器，包括用于发出连续光的光源、正弦门控APD模块、直流偏置稳压源、电光调制器、光电探测器、低通滤波器、甄别器，其中所述光源发出的连续光作为电光调制器的光输入；所述直流偏置稳压源用于向电光调制器提供直流偏置；所述正弦门控APD模块用于提供正弦门控噪声信号和雪崩信号，所述正弦门控噪声信号和雪崩信号作为交流电压输入电光调制器；所述电光调制器在直流偏置和正弦门控APD雪崩信号共同作用下对光输入进行调制；所述电光调制器调制后的光信号经过光电探测器转换成电信号后输出；所述低通滤波器用于滤除所述电信号中的正弦门控噪声信号并将雪崩信号输出；所述甄别器对接收的雪崩信号进行计数，实现对单光子输入的计数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电光调制器通过控制直流偏置的大小，使得电光调制器对所述正弦门控噪声信号分量进行偶数倍频，对雪崩信号不进行倍频。

作为本发明的一种优选技术方案：所述低通滤波器的带宽设定为0～f_max，根据低通滤波器的带宽对所述正弦门控噪声信号的频率在之间调节，所述低通滤波器用于滤除偶数倍频后的频率大于f_max的正弦门控噪声信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述低通滤波器输出的电信号还用于反馈调节，具体为以低通滤波器的输出电压作为反馈信号，对所述直流偏置稳压源的电压进行调节，根据每个直流偏置稳压源调节的电压测得对应的低通滤波器输出电压。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）通过控制电光调制模块的直流偏置，可以对正弦噪声信号进行偶数倍频，从而通过低通滤波器将噪声信号消除，在确定了带通滤波器的带宽后，假设带宽为0～f_max，则门控信号的频率可以在之间调节，而门控信号不需要做进一步的调整，即使得探测器的工作频率有很好的适应性。