一种单光子探测器

本公开涉及光检测，具体地，涉及一种单光子探测器。

背景技术：

1、单光子探测器作为最灵敏的弱光探测设备，在量子光学、量子通信和激光测距等领域有着广泛的应用，尤其是基于雪崩光电二极管的单光子探测器。为了减少雪崩光电二极管的热噪声，红外单光子探测器一般工作在门控模式下，在实际应用中，为了提升系统性能，通常是通过提高门控频率的方式。

2、然而，随着门控频率的上升，单光子探测器的后脉冲和时间抖动会急速恶化，限制了其应用范围。当单光子探测器完成一次光子探测后，雪崩电荷有一定概率被晶格缺陷捕获，在后续门控信号到达时，产生虚假的信号输出，这种现象称为后脉冲效应。由于雪崩放大过程的随机特性，每次雪崩信号的幅度都会随机变化，传统甄别技术会引起很大的时间抖动，导致错误的时间位置产生输出信号。在实际应用中，后脉冲和时间抖动均会引起错误的输出信号，严重影响系统性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开实施例提供了一种单光子探测器，包括：

2、雪崩信号发生装置，用于生成雪崩探测信号；

3、滤波放大装置，用于对上述雪崩探测信号进行滤波转换处理，得到过零点的双极信号；

4、过零信号甄别装置，包括：

5、迟滞比较器，与上述滤波放大装置的输出端连接，上述迟滞比较器用于对上述双极信号进行甄别，输出探测信号。

6、根据本公开的实施例，上述滤波放大装置包括：

7、低通滤波器，上述低通滤波器的输入端与上述雪崩信号发生装置的输出端连接，上述低通滤波器用于对上述雪崩探测信号进行滤波转换处理，得到过零点的双极信号。

8、根据本公开的实施例，上述滤波放大装置还包括：

9、低噪声放大器，上述低噪声放大器的输入端与上述低通滤波器的输出端连接，上述低噪声放大器用于对上述双极信号的幅度进行放大，得到放大的双极信号，以利用上述过零信号甄别装置对上述放大的双极信号进行甄别。

10、根据本公开的实施例，上述低通滤波器包括切比雪夫低通滤波器或者巴特沃斯型低通滤波器。

11、根据本公开的实施例，对上述雪崩探测信号进行滤波转换处理，得到过零点的双极信号，包括：

12、对上述雪崩探测信号中的待滤除信号进行过滤处理，得到滤波后的雪崩探测信号，其中，上述待滤除信号包括门控信号和谐波信号中的至少一种；

13、对上述滤波后的雪崩探测信号进行转换，得到过零点的上述双极信号。

14、根据本公开的实施例，上述雪崩探测信号经过上述低通滤波器之后形成的上述双极信号的信号幅度具有随机涨落的特性，同时上述双极信号的过零点的时间位置保持不变，从而能够降低上述探测信号的时间抖动。

15、根据本公开的实施例，上述雪崩信号发生装置包括：

16、门控信号产生电路，用于生成门控信号；

17、直流偏压产生电路，用于生成直流偏压信号；

18、雪崩光电二极管，上述雪崩光电二极管的阴极分别与上述门控信号产生电路、上述直流偏压产生电路连接，上述雪崩光电二极管的阳极与上述滤波放大装置的输入端连接，上述雪崩光电二极管用于根据以交直流耦合方式耦合的上述门控信号和上述直流偏压信号，生成上述雪崩探测信号。

19、根据本公开的实施例，上述门控信号产生电路包括：

20、电容，上述门控信号通过电容耦合到上述雪崩光电二极管上。

21、根据本公开的实施例，上述直流偏压产生电路包括：

22、电感，上述直流偏压信号通过上述电感加载在上述雪崩光电二极管上。

23、根据本公开的实施例，通过调节上述迟滞比较器的反相输入端的参考电压vn和上述迟滞比较器的回差电压vhys，在上述回差电压vhys等于预设倍数的参考电压vn的情况下，根据上述迟滞比较器的特性函数，确定上述迟滞比较器的上门限vh和下门限vl，以利用上述迟滞比较器根据上述双极信号实现阈值触发和过零触发，从而生成上述探测信号。

24、根据本公开的实施例，针对上述阈值触发，在上述双极信号大于上述迟滞比较器的上门限的情况下，上述迟滞比较器输出高电平，从而生成上述探测信号。

25、根据本公开的实施例，针对上述过零触发，在上述双极信号连接上述迟滞比较器的同相输入端且上述双极信号经过零点的情况下，上述迟滞比较器的输出电平从高电平转变为低电平，从而下降沿输出上述探测信号。

26、根据本公开的实施例，通过利用迟滞比较器对滤波放大装置产生的精密过零点的双极信号在零点处进行甄别，输出探测信号。利用单个迟滞比较器实现过零信号的甄别，无需信号分割，具有信噪比高、速率快的优点。同时使用迟滞特性的过零比较器能够消除雪崩探测信号幅度变化带来的时间抖动，同时降低了后脉冲概率，从而提升了单光子探测器的工作频率，进而提升了基于单光子探测器构建的系统的系统性能。

技术特征：

1.一种单光子探测器，包括：

2.根据权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述滤波放大装置包括：

3.根据权利要求2所述的单光子探测器，其中，所述滤波放大装置还包括：

4.根据权利要求2或3所述的单光子探测器，其中，所述低通滤波器包括切比雪夫低通滤波器或者巴特沃斯型低通滤波器。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的单光子探测器，其中，对所述雪崩探测信号进行滤波转换处理，得到过零点的双极信号，包括：

6.根据权利要求5所述的单光子探测器，其中，所述雪崩探测信号经过所述低通滤波器之后形成的所述双极信号的信号幅度具有随机涨落的特性，同时所述双极信号的过零点的时间位置保持不变，从而能够降低所述探测信号的时间抖动。

7.根据权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述雪崩信号发生装置包括：

8.根据权利要求1所述的单光子探测器，其中，通过调节所述迟滞比较器的反相输入端的参考电压vn和所述迟滞比较器的回差电压vhys，在所述回差电压vhys等于预设倍数的参考电压vn的情况下，根据所述迟滞比较器的特性函数，确定所述迟滞比较器的上门限vh和下门限vl，以利用所述迟滞比较器根据所述双极信号实现阈值触发和过零触发，从而生成所述探测信号。

9.根据权利要求8所述的单光子探测器，其中，针对所述阈值触发，在所述双极信号大于所述迟滞比较器的上门限的情况下，所述迟滞比较器输出高电平，从而生成所述探测信号。

10.根据权利要求9所述的单光子探测器，其中，针对所述过零触发，在所述双极信号连接所述迟滞比较器的同相输入端且所述双极信号经过零点的情况下，所述迟滞比较器的输出电平从高电平转变为低电平，从而下降沿输出所述探测信号。

技术总结
本公开提供了一种单光子探测器，包括雪崩信号发生装置，用于生成雪崩探测信号；滤波放大装置用于对雪崩探测信号进行滤波转换处理，得到过零点的双极信号；过零信号甄别装置包括：迟滞比较器，与低通滤波器的输出端连接，迟滞比较器用于对双极信号进行甄别，输出探测信号。本公开的单光子探测器能够消除雪崩探测信号幅度变化带来的时间抖动，同时降低了后脉冲概率，从而提升了单光子探测器的工作频率，进而提升了基于单光子探测器构建的系统的系统性能。

技术研发人员：王双,何德勇,陈巍,银振强,范元冠杰,卢奉宇,王纺翔,张国威,周政,郭光灿,韩正甫
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16