一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置及方法与流程

本发明涉及量子通信技术领域。具体而言，本发明涉及一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置及方法。

背景技术：

单光子探测技术在量子密钥分发系统、高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。

在单光子探测的实现方案中，目前最常用的是采用雪崩光电二极管(apd)作为探测器件的方案。当apd的工作电压逐渐逼近雪崩击穿电压时，理论上雪崩倍增因子m将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子m到1000左右就会饱和。只有在盖革模式下，即当apd工作电压高于雪崩击穿电压时，雪崩倍增因子m才能大到足以产生一个巨观的脉冲，用于单光子的甄别。在盖革模式下，必须在一个光子触发了雪崩后停止它，否则雪崩持续下去，探测器无法接收下一个光子。抑制雪崩电流的方法主要有三种：被动抑制模式、主动抑制模式和门控抑制模式。目前—般釆用门控模式抑制雪崩。

门控模式的基本原理如图1所示，首先给apd加一个直流偏压hv(小于apd的雪崩电压)，然后在直流偏压基础上通过耦合电容cs加一个门电压，这个门电压的幅度值加上直流偏压hv大于apd的雪崩电压。这种情况下在门的前沿到了以后，apd两端的电压大于雪崩电压，处于探测光子模式，此时可以对光子响应，并产生雪崩信号；在门的后沿来了以后，apd两端的电压低于雪崩电压，此时雪崩被抑制，不能对光子响应，即使光信号到达也不发生雪崩。周期性的，下一个门脉冲又可以让apd进入单光子探测模式。用门脉冲淬灭的好处是，可以让信号光子和门脉冲进行同步，在光子到来的时候，才施加门脉冲，apd开始响应，这样可大大的降低暗计数率。

门控模式能够很好地减少暗计数和抑制后脉冲问题，但是，由于高速的门控脉冲通过apd的结电容耦合到负载电阻上，在门控脉冲的上升和下降沿分别产生正负的电尖峰。图2示出电容的微分效应。在用门脉冲淬灭的方式探测单光子时，因为门脉冲的前沿和后沿时间很短(通常约1ns)，而apd本身有电容，当窄的门脉冲加到apd上会产生很强的尖峰噪声，这个噪声的幅度远大于雪崩信号本身，完全把雪崩信号淹没。

为了消除门控噪声的影响，本领域的技术人员提出了很多种方案，主要有：双平衡方法、电容平衡方法、自差分平衡方法、积分门控法等。

几种平衡方法的本质都是为了找到一个和尖峰噪声相似的参考信号用来做减法，从而提取出雪崩信号。图3示出了通过平衡法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的波形图(参见“基于ingaas_inpapd高速单光子探测方法及应用”，华东师范大学博士论文，梁焰)。如图3所示，第一行的两个信号波形是从雪崩光电二极管的阳极处接收到的信号，第二行波形图是无光子的参考信号，通常用无光子照射时的匹配电路产生，第三行是匹配结果，通常用接收到的信号与参考信号做减法得到，图中显示出了有无雪崩发生时的信号波形。

一般来说，为了有效的提取雪崩信号，需要将尖峰信号抑制到-20db以下，这点实现起来非常困难。为了能够达到这个指标，通常每台仪器都需要仔细人为精细调整(因为每台仪器杂散参数不同)，这就给大规模生产带来了很大的难题。图4是平衡方法的典型示例。差分运算器和脉冲甄别器依次连接在apd的阳极。

积分门控法是将雪崩电流进行累积，实现雪崩电荷q的测量，具体实现上是通过电容对雪崩电流的积分来完成的，再利用关系q＝cu，测量电容两端的电压即可。由于雪崩完毕后，电容两端的电压u是一状态量，可以在测量时间上错开尖峰噪声，从而避开了尖峰噪声的影响。

通过图5所示的电路，将瞬态信号的测量转化为状态信号的测量，从而降低测量难度，并且不再受到杂散参数的影响。

在探测过程中，通过第二电容cl将雪崩电流进行累积，从而得到一个状态电压信号。如果没有雪崩，则第二电容cl两端累积的电荷为0，根据q＝cu，则电容两端压差为0；如果有雪崩，则第二电容cl会对雪崩电流进行积分，两端会有明显的压差。当尖峰噪声过后，直接测量第二电容cl两端的压差，即可判断有无雪崩发生。可以看出，这种方法可以避开尖峰噪声的影响。

当测量完毕，可以通过开关sw将第二电容cl放电，准备下一次测量。

利用积分门控法，虽然解决了尖峰脉冲问题，但开关本身带来了新的噪声，从图6中，可以明显看到开关带来的噪声很大。这是由于电荷注入效应和电荷振荡引起的，中国专利cn105043563公开的方法虽然降低了电荷注入效应，但是仍然存在电荷振荡问题，另外还需要外部辅助光源，系统异常复杂，成本很高。

从以上可以看出，平衡探测方法是测量电阻rl两端的脉冲信号，但需要产生好的一个参考信号做减法以消除尖峰噪声影响；积分门控方法是测量电容cl两端的电压信号，但需要一个放电开关。这两种方式各有优缺点：平衡方式工作频率高，但平衡信号产生很复杂，受杂散参数影响比较大，无法大规模生产；积分门控方式提取雪崩信号简单，但放电开关引入了新的噪声，另外工作频率比较低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的装置，包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端接收直流偏压；

雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管的阴极与所述第一电阻的另一端连接；

第一电容，所述第一电容的一端接收脉冲电压，另一端与所述雪崩光电二极管的阴极连接；

第二电容，所述第二电容连接在所述雪崩光电二极管的阳极和接地端之间；以及

第二电阻，所述第二电阻与所述第二电容并联连接在所述雪崩光电二极管的阳极和接地端之间。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容cl和第二电阻rl的放电时间大于所述脉冲电压的宽度。

在本发明的一个实施例中，所述第一电阻是20kω。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容是200pf。

在本发明的一个实施例中，所述第二电阻是100ω。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容是15pf。

根据本发明的另一个方面，提供一种测量雪崩光电二极管的雪崩信号的方法，包括：

向雪崩光电二极管施加直流偏压，所述直流偏压小于所述雪崩光电二极管的雪崩电压；

将脉冲电压通过第一电容cs耦合到所述雪崩光电二极管apd的阴极；

当光信号到达雪崩光电二极管时，所述雪崩光电二极管的偏置电压达到雪崩电压之上，所述雪崩光电二极管吸收一个光子，形成雪崩电流；

所述雪崩电流通过第二电容cl和第二电阻rl并联回路，一方面在第二电容cl上积累，一方面流经第二电阻rl放电；以及

测量输出端的信号波形。

在本发明的另一个实施例中，当没有光信号到达雪崩光电二极管时，输出端的信号波形为尖峰噪声波形。

在本发明的另一个实施例中，当光信号到达雪崩光电二极管时，输出端的信号波形为rc放电波形。

在本发明的另一个实施例中，所述第二电容cl和第二电阻rl的放电时间大于所述脉冲电压的宽度。

本方案中，当没有雪崩发生时，cl两端的电压波形是尖峰噪声，与平衡方式rl两端的信号一样，有上尖峰和下尖峰，见图3和图8；当有雪崩发生时，则波形发生显著变化，由于电容两端的电压不能突变，导致下尖峰被削平甚至消失，如图9。同时由于rl是一无源元件，使得电路不存在电荷注入效应，系统工作频率仅受cl的放电时间决定，放电时间为rl*cl。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出现有技术的门控模式单光子探测器的电路示意图。

图2示出电容的微分效应。

图3示出了通过平衡法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的波形图。

图4示出通过平衡法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的电路示意图。

图5示出采用电容累积雪崩电流的门控模式单光子探测器300的电路示意图。

图6示出积分门控法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的波形图。

图7示出根据本发明的一个实施例的采用电容累积雪崩电流的门控模式单光子探测器700的电路示意图。

图8示出雪崩光电二极管apd没有发生雪崩时cl、rl两端的电压信号波形。

图9示出雪崩光电二极管apd发生雪崩时cl、rl两端的电压信号波形。

图10示出根据本发明的一个实施例使用单光子探测器700进行光子探测的方法的流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种改进的门控模式单光子探测器。图7示出根据本发明的一个实施例的采用电容累积雪崩电流的门控模式单光子探测器700的电路示意图。

如图7所示，直流偏压单元通过第一电阻rs与雪崩光电二极管apd阴极连接，脉冲发生器通过第一电容cs与雪崩光电二极管apd阴极连接，雪崩光电二极管apd阳极通过第二电容cl接地，在雪崩光电二极管apd阳极和接地之间设置有与第二电容cl并联的第二电阻rl。

并联连接在雪崩光电二极管apd阴极的第二电容cl和第二电阻rl将apd瞬态雪崩电压信号加以展宽，使得雪崩信号宽度略大于尖峰噪声宽度，实现了有雪崩信号和无雪崩信号两种情况下波形之间的显著差异，从而解决了尖峰噪声的影响，实现了apd雪崩信号的有效测量，由于是无源方式，既没有电荷注入效应，也没有外部开关带来的电荷振荡，同时工作频率高、结构简单、成本低廉。

与图5所示的电路相比，图7所示实施例中的测量电路中省略了第二开关，从而避免了第二开关引入的噪声。

在探测过程中，负脉冲甄别器连接在雪崩光电二极管apd阳极。

第二电容cl和第二电阻rl组成rc电路连接在雪崩光电二极管apd阳极。如果没有雪崩，则第二电容cl和第二电阻rl两端的信号如下图8所示。图8示出雪崩光电二极管apd没有发生雪崩时cl、rl两端的电压信号波形。从图8可以看出没有雪崩时cl两端的信号是一典型的微分信号，即系统输出典型的尖峰噪声。

当有雪崩发生时，雪崩电流通过第二电容cl和第二电阻rl并联回路，能量一方面在第二电容cl上积累，一方面流经第二电阻rl放电。输出端的波形如图9所示。图9中的上部曲线610表示触发脉冲信号；曲线620表示雪崩光电二极管apd发生雪崩时cl、rl两端的电压信号波形。从图9可以看出，信号波形是类似一个典型的rc放电波形。触发信号的宽度为1ns，施加到第一电容cs上。

根据图8和图9所示的输出波形，apd放电和没放电时第二电容cl两端的波形相差很大，很容易判断出有无雪崩发生。只要保证第二电容cl和第二电阻rl的放电时间略大于门脉冲宽度，即可削平负尖峰，从而可通过甄别负脉冲的方法实现雪崩检测，又避开尖峰噪声的影响。既没有引入新的开关噪声，同时探测器工作频率高，另外系统结构异常简单，成本低廉。

在本发明的具体实施例中，第一电容cs＝200pf，第一电阻rs＝20kω，第二电容cl＝15pf，第二电阻rl＝100ω。当触发脉冲信号的宽度为1ns时，第二电容cl和第二电阻rl的放电时间为τ＝rl*cl＝1500ps＝1.5ns。放电时间略大于门脉冲宽度，负尖峰消失，通过甄别负脉冲很容易判断出有无雪崩发生。

负脉冲甄别器用于检测雪崩光电二极管apd阳极处的信号波形中的负尖峰。在一个测量周期内，当雪崩光电二极管apd内发生雪崩击穿时，由于第二电容cl和第二电阻rl的放电时间大于门脉冲宽度，负尖峰被削平，因此负脉冲甄别器检测不到负尖峰，从而确定有光子输入；当雪崩光电二极管apd内发生没有雪崩击穿时，信号波形中具有负尖峰，因此负脉冲甄别器检测到负尖峰，从而确定没有光子输入。

与现有的通过平衡法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的电路相比，本发明公开的门控模式单光子探测器不需要利用参考信号消除尖峰噪声，去掉了复杂的参考信号产生电路，结构简单。通过在雪崩光电二极管apd阳极处连接rc电路，在发生雪崩时，信号波形是类似一个典型的rc放电波形，没有负尖峰；而没有雪崩时，输出典型的尖峰噪声。仅通过负脉冲甄别器检测负尖峰即可确定是否发生雪崩。

与现有的积分门控法测量雪崩光电二极管的雪崩信号的电路相比，本发明公开的门控模式单光子探测器不需要开关对积分电容进行放电。因此可以避免放电开关本身带来的噪声。而且现有的积分门控法还需要增加复杂的外部电路对放电开关进行开关控制，成本很高。本发明公开的门控模式单光子探测器不需要额外的控制系统，通过连接在雪崩光电二极管apd阳极处负脉冲甄别器完成多个周期的检测过程，工作频率高，且结构简单。

图10示出根据本发明的一个实施例使用单光子探测器700进行光子探测的方法的流程图。

在步骤710，向雪崩光电二极管apd施加直流偏压hv，该直流偏压hv小于apd的雪崩电压。

在步骤720，将来自脉冲发生器的门控脉冲电压与输入光脉冲同步，通过第一电容cs耦合到雪崩光电二极管apd的阴极。

在步骤730，当光信号到达时，雪崩光电二极管apd的偏置电压达到雪崩电压之上，雪崩光电二极管apd吸收一个光子，形成雪崩电流。

在步骤740，雪崩电流通过第二电容cl和第二电阻rl并联回路，一方面在第二电容cl上积累，一方面流经第二电阻rl放电。

在步骤750，测量输出端的信号波形。由于第二电容cl和第二电阻rl的放电时间略大于门脉冲宽度，因此可消除尖峰噪声的影响，从而实现雪崩信号的有效测量。通过脉冲甄别器检测雪崩光电二极管apd阳极处的信号波形中的负尖峰。在一个测量周期内，当雪崩光电二极管apd内发生雪崩击穿时，由于第二电容cl和第二电阻rl的放电时间大于门脉冲宽度，负尖峰被削平，因此负脉冲甄别器检测不到负尖峰，从而确定有光子输入；当雪崩光电二极管apd内发生没有雪崩击穿时，信号波形中具有负尖峰,因此负脉冲甄别器检测到负尖峰，从而确定没有光子输入。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。