一种高速单光子探测器单片集成电路的制作方法

本发明涉及量子通信、单光子探测、集成电路技术领域，尤其涉及一种高速单光子探测器单片集成电路。

背景技术：

高速单光子探测器是进行超弱光探测的主要工具，在众多领域有着广泛的应用。高速单光子探测器工作的基本原理是：对单光子雪崩光电二极管(spad)施加高速门控信号，只有门控信号到达时，spad处于工作状态。此时，有光子入射即会引起spad响应，产生微弱雪崩信号，湮没在高速门控信号经过spad后产生的容性响应信号中。后端雪崩信号提取电路将容性响应信号滤除，同时将spad产生的微弱雪崩信号放大提取出来，经过甄别后输出探测信号。

现有高速单光子探测器多采用分立的器件如滤波器，放大器设计，外形尺寸大，成本高，配置复杂，同时电路各项寄生参数较大，影响探测器性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高速单光子探测器单片集成电路，可以极大地提高高速单光子探测器的集成度，降低高速单光子探测器的各项寄生参数和配置难度，降低探测器成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(与权利要求相对应)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过高速单光子探测器单片集成电路提取高速雪崩信号，一方面取电路体积小，配置简单，极大提高整个探测系统的集成度；另一方面，电路集成度高，寄生参数小，极大的抑制了后脉冲概率。此外提取电路对容性响应信号抑制高，雪崩信号放大增益大，提高雪崩信号的信噪比，降低其甄别难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种高速单光子探测器单片集成电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于ltcc技术的低通滤波器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种低噪声放大电路的结构及配置示意图；

图4为本发明实施例提供的高速单光子探测器单片集成电路典型的s21参数图；

图5为本发明实施例提供的典型的雪崩信号波形图；

图6为本发明实施例提供的高速单光子探测器的探测效率与暗计数的性能指标图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种高速单光子探测器单片集成电路的结构示意图。如图1所示，其主要包括：依次连接的第一低通滤波器f1、第一低噪声放大器a1、第二低噪声放大器a2与第二低通滤波器f2；其中：

雪崩信号和高频容性响应信号的混合信号经输入端口(1)接入高速雪崩信号提取芯片，第一低通滤波器f1对混合信号中的高频容性响应型号进行初步抑制，其输出信号接入依次连接的第一低噪声放大器a1与第二低噪声放大器a2进行放大，第一低噪声放大器a1通过第一输入配置端(3)和第一输出配置端(2)进行配置，低噪声放大器a2通过第二输入配置端(5)和第二输出配置端(4)进行配置，经过第一低噪声放大器a1与第二低噪声放大器a2放大后的信号再接入第二低通滤波器f2，由第二低通滤波器f2将放大后的信号中的高频容性响应信号再一次抑制，最后从输出端口(6)输出放大后的雪崩信号。

本发明实施例中，采用组件集成的方式将所述第一低通滤波器f1、第一低噪声放大器a1、第二低噪声放大器a2与第二低通滤波器f2集成在一个芯片中。此外，还采用低温共烧陶瓷(ltcc)技术，制作了尺寸小，滤波性能好的第一低通滤波器f1与第二低通滤波器f2，通带频率范围dc～1ghz，频率1ghz以上抑制大于45db，最大抑制60db，实现对容性响应信号的深度抑制；另一方面采用尺寸小的高性能低噪声放大器芯片，实现对雪崩信号放大。

为了便于理解，下面针对各个器件做进一步的说明。

本发明实施例中，第一低通滤波器f1与第二低通滤波器f2具有相同的结构，且基于ltcc技术制作而成。如图2所示，为基于ltcc技术的低通滤波器结构示意图，利用该结构作为第一低通滤波器f1与第二低通滤波器f2。

图2所示结构主要包括：电感l1～l5以及电容c1～c5；其中：

电感l1～l5依次连接，信号从电感l1的一端输入，从电感l5的一端输出；

电容c1与电感l1并联，电容c6与电感l5并联；电容c2、c3、c4与c5的一端连接在一起后接地，电容c2另一端连接电感l1与l2连接点，电容c3另一端连接电感l2与l3连接点，电容c4另一端连接电感l3与l4连接点，电容c5另一端连接电感l4与l5连接点。

本发明实施例中，所述第一低噪声放大器a1与第二低噪声放大器a2联在一起，结构完全相同，请参见图3，二者均包括：输入隔直电容cin，输入配置电感lb，低噪声放大器芯片a，输出隔直电容cout，输出配置电感ld；

所述输入隔直电容cin的一端接信号输入，另一端与输入配置电感lb一端及低噪声放大器芯片a的输入一端同时相连，电感lb另一端作为第一低噪声放大器a1的第一输入配置端(3)或第二低噪声放大器a2的第二输入配置端(5)；低噪声放大器芯片a的输出端与输出配置电感ld一端和输出隔直电容cout一端同时相连，输出隔直电容cout的另一端接信号输出，输出配置电感ld另一端作为第一低噪声放大器a1的第一输出配置端(2)或第二低噪声放大器a2的第二输出配置端(4)。

还参见图3，所述第一低噪声放大器a1与第二低噪声放大器a2的配置完全相同，均包括：输入配置电阻rlb，输入配置电容clb，输出配置电阻rld，输出配置电容cld；

所述第一低噪声放大器a1的第一输入配置端(3)和第二低噪声放大器a2的第二输入配置端(5)，通过各自的并联在一起的输入配置电阻rlb和输入配置电容clb接地；

第一低噪声放大器a1的第一输出配置端(2)和第二低噪声放大器a2的第二输出配置端(4)，通过各自的输出配置电阻rld接供电vcc，同时通过各自的输出配置电容cld接地。

另一方面，本发明实施例提供的高速单光子探测器单片集成电路的s21参数(正向传输参数)如图4所示。使用高速单光子探测器单片集成电路实现的高速门控单光子探测器提取的雪崩信号如图5所示；所述高速门控单光子探测器探测效率和暗计数性能指标如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种高速单光子探测器单片集成电路，通过高速单光子探测器单片集成电路提取高速雪崩信号，一方面取电路体积小，配置简单，极大提高整个探测系统的集成度；另一方面，电路集成度高，寄生参数小，极大的抑制了后脉冲概率。此外提取电路对容性响应信号抑制高，雪崩信号放大增益大，提高雪崩信号的信噪比，降低其甄别难度。

技术研发人员：张军;蒋文浩;潘建伟
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2017.07.24
技术公布日：2017.10.20