一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路的制作方法

本发明涉及单光子探测器的高速模拟信号调理电路技术领域，特别涉及一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路。

背景技术：

在量子密钥分发系统(qkd)中，基于雪崩二极管的单光子探测器是关键模块，尤其在高速qkd系统中(超过1ghz)，单光子探测器的后脉冲概率成为限制安全成码率的关键指标。要降低后脉冲概率，则要求能够甄别出足够小的雪崩信号，而在门控模式下，门控信号通过雪崩二极管的结电容耦合到信号通路中，产生尖峰脉冲，其幅度是雪崩信号的几十倍；雪崩信号的调理电路在放大雪崩信号的同时，需要对尖峰脉冲进行抑制，以保证后端电路对足够小的雪崩信号的甄别。

现有的自差分技术虽然能够实现对尖峰脉冲进行抑制，但受限于器件的平衡性，不论是功率合成器的幅度与相位不平衡度，还是延迟线长度，都使得对尖峰脉冲的抑制比不够高，从而相对较小的雪崩信号不能被甄别，从而使后脉冲概率恶化。而采用正弦门信号，并进行滤波的方式不但门宽太宽，而且其滤波过程中又会造成雪崩信号的损失，同样不能使单光子探测器达到足够小的后脉冲概率。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路，以解决现有技术中单光子探测对尖峰脉冲的抑制比较低以及不能使单光子探测达到足够小的后脉冲概率的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路，包括：

雪崩二极管，所述雪崩二极管的负极分两路，一路通过电阻加载有偏置电压单元，一路通过电容加载有门脉冲信号发生器；

自差分电路，所述自差分电路包含依次连接的巴伦、不等长双延迟线和2路功率合成器；

n路补偿电路，该n路补偿电路并联设置，且n路补偿电路的各个输出端与2路功率合成器的输出端一同连接n+1路功率合成器的输入端；

低通滤波电路；

低噪放大电路；

所述雪崩二极管的正极分两路，一路连接自差分电路的巴伦，一路通过下拉电阻接地，所述n+1路功率合成器的输出端依次通过连接低通滤波电路、低噪放大电路至雪崩信号输出端。

优选地，所述n路补偿电路为1路补偿电路，所述1路补偿电路为可产生尖峰脉冲1倍频处单频点信号的补偿电路。

优选地，所述n路补偿电路为3路补偿电路，所述3路补偿电路为分别可产生尖峰脉冲1倍频处、2倍频处以及3倍频处单频点信号的补偿电路。

优选地，所述n路补偿电路的各个补偿电路中分别包括依次连接的正弦信号源、移相器以及可调增益放大器，所述可调增益放大器的输出端与2路功率合成器的输出端一同连接n+1路功率合成器的输入端。

优选地，所述巴伦采用类型为balh-0003的高带宽传输线式。

优选地，所述不等长双延迟线，通过pcb走线实现。

优选地，所述2路功率合成器采用类型为pbr-0003smg的高带宽合成器。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路，结合了自差分和单频点补偿两种方式对尖峰脉冲进行抑制，相较采用单一的自差分去除尖峰脉冲方式，对尖峰脉冲的抑制比显著提高，降低雪崩信号甄别的阈值，大大降低了高速单光子探测器(不限于1ghz)的后脉冲概率；同时采用补偿电路对尖峰脉冲的多个倍频点功率进行抑制，相较陷波电路，其补偿的幅度可调，从而避免了雪崩信号在这些频点的能量被滤除而产生的幅度损失与信号畸变，进一步提高了雪崩信号的甄别效果，降低了单光子探测器的后脉冲概率。

附图说明

图1为本发明具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路的电路图；

图2a为图1中x处信号输出波形图；

图2b为图1中y处信号输出波形图；

图2c为图1中z处信号输出波形图。

图中：雪崩二极管100，偏置电压单元200，门脉冲信号发生器300，自差分电路400，巴伦401，不等长双延迟线402，2路功率合成器403，n路补偿电路500，正弦信号源501，移相器502，可调增益放大器503，n+1路功率合成器600，低通滤波电路700，低噪放大电路800，雪崩信号输出端900。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路，包括：

雪崩二极管100，所述雪崩二极管100的负极分两路，一路通过电阻r1加载有偏置电压单元200，一路通过电容c1加载有门脉冲信号发生器300；

自差分电路400，所述自差分电路400包含依次连接的巴伦401、不等长双延迟线402和2路功率合成器403；

n路补偿电路500，该n路补偿电路500并联设置，且n路补偿电路500的各个输出端与2路功率合成器403的输出端一同连接n+1路功率合成器600的输入端；

低通滤波电路700；

低噪放大电路800；

所述雪崩二极管100的正极分两路，一路连接自差分电路400的巴伦401，一路通过下拉电阻r2接地，所述巴伦401不平衡端连接雪崩二极管100阳极，平衡端分别连接不等长双延迟线402，所述n+1路功率合成器600的输出端依次通过连接低通滤波电路700、低噪放大电路800至雪崩信号输出端900。

所述n路补偿电路500为1路补偿电路，所述1路补偿电路500为可产生尖峰脉冲1倍频处单频点信号的补偿电路。

另一种实施例中，所述n路补偿电路500为3路补偿电路，所述3路补偿电路为分别可产生尖峰脉冲1倍频处、2倍频处以及3倍频处单频点信号的补偿电路。

所述n路补偿电路500的各个补偿电路中分别包括依次连接的正弦信号源501、移相器502以及可调增益放大器503，所述可调增益放大器503的输出端与2路功率合成器403的输出端一同连接n+1路功率合成器600的输入端。

所述巴伦401采用高带宽传输线式的balh-0003型号，该巴伦可有效降低雪崩信号的衰减，幅度与相位不平衡度极低，幅度不平衡度0.1db，相位不平衡度1°，由此产生的共模抑制比为45db，保证了对尖峰脉冲的高抑制比。

所述不等长双延迟线，通过pcb走线实现，所述不等长双延迟线，通过pcb走线实现，其中两路信号(信号a、信号b)的走线长度之差l为

其中t为信号周期，c为真空光速，ε为pcb平均相对介电常数，由此，信号a与信号b相比，延迟一个周期。同时两条延迟线特征阻抗均为50欧姆。

所述2路功率合成器403为高带宽合成器，可采用的型号为pbr-0003smg，该型号2路功率合成器403带宽从10mhz到3ghz，其幅度与相位不平衡度极低，保证了对尖峰脉冲的高抑制比。

所述低通滤波电路700由高频截止频率为4ghz得低通滤波器实现。

所述低噪放大电路800由噪声因子低(<2)，增益不小于20bb的低噪放大器实现。

实施例

根据门控信号是周期性信号，如图2a所示，其耦合到通路中的尖峰脉冲也是周期性信号，该周期性信号经过巴伦后分为两路，相位相差180°，再通过延迟相差一个周期的两路延迟线进入功率合成器后，即可实现周期性信号测自差分，受幅度和相位不平衡度影响，本发明自差分电路对尖峰脉冲的抑制比不小于35db。尖峰脉冲被抑制后，如图2b所示，雪崩信号即可被甄别。

如图2c所示，补偿电路产生单频点信号，通过相位和幅度调节，在功率合成器中抵消尖峰脉冲在1、2和3倍频处的功率，进一步消除尖峰脉冲，从而使更小的雪崩信号得以被甄别。补偿电路对尖峰脉冲抑制比不小于15db。

低通滤波器进一步滤除高频噪声，由于雪崩信号能量主要集中在4ghz以下，进一步提高信噪比。

三级电路综合对尖峰脉冲抑制比不小于54db。

低噪放大电路增益为20db，将雪崩信号放大，以供后级电路甄别。

本发明的具有尖峰脉冲高抑制比的单光子雪崩信号提取电路，结合了自差分和单频点补偿两种方式对尖峰脉冲进行抑制，相较采用单一的自差分去除尖峰脉冲方式，对尖峰脉冲的抑制比显著提高，降低雪崩信号甄别的阈值，大大降低了高速单光子探测器(不限于1ghz)的后脉冲概率；同时采用补偿电路对尖峰脉冲的1、2、3倍频点的功率进行抑制，相较陷波电路，其补偿的幅度可调，从而避免了雪崩信号在这些频点的能量被滤除而产生的幅度损失与信号畸变，进一步提高了雪崩信号的甄别效果，降低了单光子探测器的后脉冲概率。