一种近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器的制作方法

本发明涉及单光子探测技术领域，尤其涉及一种近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器。

背景技术：

近红外波段单光子探测器是在该波段进行超弱光探测必不可少的工具，在量子通信、量子信息科学、光时域反射计、单光子雷达等领域中有着广泛的应用。根据单光子信号到达时间的不同分为门控模式和自由运行模式，当单光子信号是周期性的或者其到达时间可知时，可采用门控工作模式。而当单光子信号是非周期性、到达时间也无法精确获知时，此时单光子探测器就必须工作在自由运行模式下。

当前，近红外波段自由运行模式单光子探测器主要有超导单光子探测器、上转换单光子探测器和雪崩光电二极管单光子探测器。相比超导单光子探测器和上转换单光子探测器，基于雪崩光电二极管的自由运行单光子探测器具有成本低、体积小、制冷简单等一系列优势。但是，因为噪声(包括暗计数和后脉冲)巨大，现有雪崩光电二极管自由运行单光子探测器难以在实际应用中使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器，可以降低暗计数，并有效抑制后脉冲概率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器，包括：负反馈雪崩光电二极管NFAD及其外围电路、制冷盒、甄别模块、死时间设置模块、温度调节模块以及FPGA；其中：

NFAD及其外围电路分别通过甄别模块和死时间设置模块与FPGA相连，所述甄别模块用于将雪崩信号转换成电平信号后发送给FPGA，所述死时间设置模块用于将NFAD上的偏压降低到雪崩电压之下；所述NFAD及其外围电路封装在制冷盒中，该制冷盒通过温度调节模块与FPGA相连。

所述NFAD及其外围电路包括：NFAD、第一电阻R1、第二电阻R2以及电容C1；

其中，NFAD的阴极与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1的另一端连接到直流偏置电压P1；NFAD阳极与第二电阻R2相连，第二电阻R2另一端接地；当有雪崩信号产生时，雪崩电流在电阻R1上产生压降，形成一个负脉冲信号；

电容C1一端连接在NFAD阴极，另一端连接甄别模块；雪崩信号通过电容C1交流耦合到甄别模块的输入端，进而通过甄别模块处理后传输至FPGA。

所述甄别模块包括；相互连接的低噪声放大器A1与甄别器D1；所述低噪声放大器A1将NFAD及其外围电路输出的雪崩信号放大后传输至甄别器D1，由甄别器D1将甄别输出的LVTTL信号传输到FPGA处理。

所述FPGA接收到甄别模块传输的电平信号后，通过FPGA控制模块进行死时间设置，FPGA将输出一个正向的、脉冲宽度由用户设置的方波信号送入死时间设置模块的输入端，死时间设置模块将接收到的信号放大后传输至NFAD阳极上；在方波信号持续的这段时间内，NFAD的反偏电压降低至雪崩电压之下。

所述制冷盒为斯特林制冷机冷端的制冷盒；温度调节模块通过安装在NFAD附近的热敏电阻读取NFAD的实时温度，并和设置的温度进行对比，通过FPGA内的PID算法控制制冷机的制冷功率，将NFAD制冷到设置的温度值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过使用斯特林制冷机对负反馈雪崩光电二极管深度制冷，从而降低单光子探测器的暗计数；此外，本发明使用的负反馈雪崩光电二极管在普通雪崩光电二极管的基础上单片集成了一个阻值较大的薄膜电阻，采用被动淬灭模式，从而可以大幅减少雪崩时间；同时，由于单片集成的设计，使得器件的寄生电容最小化，因此，可以有效抑制后脉冲效应；另外，还通过死时间设置，在雪崩信号之后主动降低NFAD两端的偏压至雪崩电压之下并持续一段时间，在这段时间内延迟释放的载流子不会引起雪崩效应，从而进一步减小了单光子探测器的后脉冲概率。

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近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的经过低噪声放大器A1放大后的雪崩信号波形图；

图3为本发明实施例提供的超低噪声自由运行单光子探测器在-110℃时的暗计数—探测效率关系图。

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近红外波段超低噪声自由运行单光子探测器的结构示意图。如图1所示，其主要包括：负反馈雪崩光电二极管(NFAD)及其外围电路、制冷盒1、甄别模块2、死时间设置模块4、温度调节模块5以及FPGA3；其中：

NFAD及其外围电路分别通过甄别模块2和死时间设置模块4与FPGA相连，所述甄别模块2用于将雪崩信号转换成电平信号后发送给FPGA3，所述死时间设置模块4用于将NFAD上的偏压降低到雪崩电压之下；所述NFAD及其外围电路封装在制冷盒1中，该制冷盒1通过温度调节模块5与FPGA3相连。

还参见图1，所述NFAD及其外围电路包括：NFAD、第一电阻R1、第二电阻R2以及电容C1；其中，NFAD的阴极与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1的另一端连接到直流偏置电压P1；NFAD阳极与第二电阻R2相连，第二电阻R2另一端接地；当有雪崩信号产生时，雪崩电流在电阻R1上产生压降，形成一个负脉冲信号；电容C1一端连接在NFAD阴极，另一端连接甄别模块；雪崩信号通过电容C1交流耦合到甄别模块的输入端，进而通过甄别模块处理后传输至FPGA3。

还参见图1，所述甄别模块2包括；相互连接的低噪声放大器A1与甄别器D1；所述低噪声放大器A1将NFAD及其外围电路输出的雪崩信号放大后传输至甄别器D1，由甄别器D1将甄别输出的LVTTL信号传输到FPGA3处理。如图2所示，为经过低噪声放大器A1放大后的雪崩信号波形图，通过低噪声放大器A1放大处理使得雪崩信号达到甄别器D1可以甄别的幅度。

本发明实施例中，所述FPGA3接收到甄别模块2传输的电平信号(LVTTL信号)后，通过FPGA3控制死时间设置模块4进行死时间设置，FPGA3将输出一个正向的、脉冲宽度由用户设置的方波信号送入死时间设置模块4的输入端，死时间设置模块4将接收到的信号放大后传输至NFAD阳极上；在方波信号持续的这段时间内，NFAD的反偏电压降低至雪崩电压之下。

本发明实施例中，所述制冷盒为斯特林制冷机冷端的制冷盒；温度调节模块5通过安装在NFAD附近的热敏电阻读取NFAD的实时温度，并和设置的温度进行对比，通过FPGA内的PID算法控制制冷机的制冷功率，将NFAD制冷到设置的温度值。

为了便于理解，下面进行原理性的介绍。

单光子探测器的暗计数是指在没有光输入时探测器产生的计数。暗计数产生的物理机制主要有热激发和量子隧穿激发两种。当温度较高时，热激发效应起主导作用，隧穿激发效应可以忽略不计；当温度降低时，热激发效应产生的暗计数逐渐减少，而隧穿激发效应产生的暗计数逐渐增多。因此，雪崩光电二极管单光子探测器存在一个具有最小暗计数的最优工作温度。本发明通过使用斯特林制冷机对负反馈雪崩光电二极管深度制冷，在-110℃左右时达到了两种效应的最佳平衡点，使单光子探测器的暗计数达到了约6cps的最低水平。

雪崩光电二极管单光子探测器的后脉冲效应指雪崩过程中由倍增层存在的缺陷和杂质捕获的部分载流子延迟释放引起的雪崩信号，后脉冲概率与材料缺陷浓度、雪崩持续时间、器件的寄生电容等一系列因素相关。本发明使用的负反馈雪崩光电二极管在普通雪崩光电二极管的基础上单片集成了一个阻值较大的薄膜电阻，采用被动淬灭模式，从而可以大幅减少雪崩时间。同时，由于单片集成的设计，使得器件的寄生电容最小化。因此，采用NFAD可以有效抑制后脉冲效应。本发明所述的超低噪声自由运行模式单光子探测器系统还在每次探测事件后设置死时间，在雪崩信号之后主动降低NFAD两端的偏压至雪崩电压之下并持续一段时间，在这段时间内延迟释放的载流子不会引起雪崩效应，从而进一步减小了单光子探测器的后脉冲概率。

图3所示为负反馈雪崩光电二极管NFAD在-110℃时单光子探测器的暗计数与探测效率的关系图。由图3可知，在工作温度为-110℃、单光子探测器的探测效率达到15％时，其暗计数在6cps以下，后脉冲概率约3％，噪声水平比现有的近红外波段自由运行模式半导体探测器降低了三个数量级。

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。