[发明专利]光子数分辨平衡探测器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及光电探测器，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。

背景技术

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(Linear mode avalanche photodiode,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(Geiger mode avalanche photodiode,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。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明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。