[发明专利]应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法

说明书

本发明提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法，所述系统至少包括：核心处理模块、主动淬灭模块、快速恢复模块、可调高压模块、可调中压模块、计数信号处理模块和保护模块；核心处理模块，被配置为：通过可调高压模块使雪崩二极管工作在盖革模式，通过计数信号处理模块获取雪崩二极管阴极的雪崩信号，通过主动淬灭模块与可调中压模块进行雪崩二极管的主动淬灭控制，通过快速恢复模块进行雪崩二极管快速恢复到盖革模式控制；保护模块，被配置为：根据雪崩信号在采样电阻上产生的电压信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接；降低了暗计数，提高了探测效率，提高饱和计数率。

技术领域

本发明涉及量子探测和量子通信技术领域，特别涉及一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

近红外波段量子成像是近年来科学及应用研究的重要方向，属于量子精密测量的重要分支，有着广泛的应用前景。在量子成像领域中，通常采用单光子阵列探测器作为探测单元。其中，阵列探测器是由一维或者二维的阵列单光子探测像素组成，其每个单光子探测像素都是独立运行的。

目前，国内及国际上均有32×32像素InGaAs/InP阵列探测器的报道，其工作在门控模式下，其中各阵元暗电流和击穿电压都比较均匀，但暗计数一般在每秒几万个，较高的暗计数会降低系统的信噪比，且探测面元间的串扰严重影响时间分辨，这些因素都会影响成像距离、空间分辨等关键指标。另外，国际上已有64像素的超导纳米线面阵列探测器方面的报道，超导面阵列探测器需要在极低温度下工作，才能保证较高的探测效率及较低的暗计数。

单光子探测器的基本工作原理如下：利用工作于盖革模式(Geiger Mode)下的雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)进行单光子探测。所谓盖革模式是指APD工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压。光子入射到APD内部引发雪崩，产生雪崩电流脉冲。探测器内部处理电路将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲。入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免APD过度放电，另一方面将APD恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。

目前，商用单光子探测器由于探测技术的限制，其淬灭电路大多采用被动、门控的方式进行，门控方式需要门信号和光信号同步，其应用领域具有一定的局限性，例如激光测距，激光雷达成像等应用中光子到达时间是未知的场合，因此就不能采用门控方式；而被动淬灭一般采用大电阻方式，淬灭时间或者恢复时间长，需要对应设置较长的死时间，导致探测器探测效率和计数率的潜能未能完全发挥，无法满足一些需要高探测效率和高计数率的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法，通过增加主动淬灭模块和快速恢复模块实现了主动淬灭和快速恢复，有效的降低了暗计数，提高了探测效率；通过保护模块减少了电路淬灭反应时间，且在核心处理模块死时间以及其他判决失效情况下进行有效淬灭，更进一步提高了饱和计数率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统。

一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，至少包括：核心处理模块、主动淬灭模块、快速恢复模块、可调高压模块、可调中压模块、计数信号处理模块和保护模块；

核心处理模块，被配置为：通过可调高压模块使雪崩二极管工作在盖革模式，通过计数信号处理模块获取雪崩二极管阴极的雪崩信号，通过主动淬灭模块与可调中压模块进行雪崩二极管的主动淬灭控制，通过快速恢复模块进行雪崩二极管快速恢复到盖革模式控制；

保护模块，被配置为：根据雪崩信号在采样电阻上产生的电压信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接。