【成果推介】一种低时间抖动的单光子探测器

【应用行业】机械制造

【技术领域】电子信息技术

【知识产权】发明专利

【成果完成单位】华中师范大学

【成果完成人姓名】吴青林、姜倩文、林楚明、方森智

【完成人团队简介】团队主要研究量子光学精密测量，单光子探测及应用，量子密钥分发与量子通信

【成果完成时间】2017-04-13

【专利号】CN2017102404605

【授权日期】2024-08-02

【技术成熟度】研发阶段

【应用背景】单光子探测在光谱分析、生物发光、精密测量、量子信息等领域有着广泛的应用。当前的单光子探测方案中，雪崩光电二极管APD因为探测效率较高、响应速度快、体积小、成本低而成为最为实用的单光子探测器件。

APD用于单光子探测时，须工作于盖革模式，即APD的反向偏置电压大于其雪崩电压。在盖革模式下，APD吸收单光子后产生的载流子会触发所谓的“自持雪崩”过程，光电流被迅速放大，产生足以被后续电路检测到的雪崩电信号。由于自持雪崩是一个正向反馈过程，一旦发生就不会自行猝灭。为保护APD，并使其可以连续探测单光子，必须在雪崩发生后及时猝灭雪崩过程。常见的雪崩猝灭的方法有：主动猝灭，被动猝灭和门控模式。主动猝灭和被动猝灭可以探测未知时刻到达的光子，但是这两种方法的猝灭时间较长，因此探测速率通常小于兆赫兹。门控模式可以减少雪崩猝灭的时间，其原理是APD的反向直流偏置电压小于雪崩电压，只有单光子脉冲到达时，才通过一个门控脉冲使APD的偏置电压大于雪崩电压，雪崩过程随着门控脉冲的撤销而迅速猝灭，从而在保证探测效率的前提下，大大提高探测速率并降低暗计数率。

在门控模式下，雪崩电信号的幅度是随机起伏的，引起雪崩电信号幅度起伏的原因很多，比如当激光器工作在单光子模式时，每个光脉冲包含的光子数少，光子到达探测器的时间服从泊松分布致使雪崩响应偏离门信号中心位置，导致雪崩电信号的幅度随机起伏。此外，光子到达APD器件吸收面的位置不同，产生载流子的初始能量不确定也将使雪崩电信号的幅度随机起伏。现有的单光子探测器的雪崩信号处理模块直接将提取的雪崩电信号输入到比较器，与固定的阈值电平进行比较，从而将雪崩电信号转化为数字信号作为探测器的输出。由于雪崩电信号幅度随机起伏和本底噪声的存在，阈值电平必须大于本底噪声的幅度，因此输出数字信号的前沿会随着雪崩电信号幅度的起伏而前后移动，这一时间变化量就称为探测器的时间抖动，如附图3所示。

在激光测距中，单光子探测器的时间抖动程度直接决定了整套装置的测量精度，现有的单光子探测器的时间抖动一般都比较大，难以满足测距要求。

【成果简介】本成果发明了一种低时间抖动的单光子探测器，包括单光子信号探测模块(1)、雪崩信号提取模块(2)和雪崩信号处理模块(3)；单光子信号探测模块(1)包括工作在门控模式下的雪崩光电二极管APD；雪崩信号处理模块(3)为限幅放大器(8)，限幅放大器(8)的输入端与雪崩信号提取模块(2)的输出端相连，限幅放大器(8)的工作带宽大于所述雪崩电信号的带宽；限幅放大器(8)的输入信号门限值大于所述雪崩信号提取模块(2)输出信号中的本底噪声的幅度；限幅放大器(8)将所述雪崩电信号转换成数字信号输出；本装置简单可靠，大大降低了探测系统的时间抖动，同时不影响系统的探测效率、暗计数率等性能。

【成果图片】

【联系方式】段治国、安红高、刘树楠、吴涛，02767868068，02767868067，02767862769