本發(fā)明涉及量子通信、單光子探測、集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速單光子探測器單片集成電路。

背景技術(shù)：

高速單光子探測器是進行超弱光探測的主要工具，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應用。高速單光子探測器工作的基本原理是：對單光子雪崩光電二極管(spad)施加高速門控信號，只有門控信號到達時，spad處于工作狀態(tài)。此時，有光子入射即會引起spad響應，產(chǎn)生微弱雪崩信號，湮沒在高速門控信號經(jīng)過spad后產(chǎn)生的容性響應信號中。后端雪崩信號提取電路將容性響應信號濾除，同時將spad產(chǎn)生的微弱雪崩信號放大提取出來，經(jīng)過甄別后輸出探測信號。

現(xiàn)有高速單光子探測器多采用分立的器件如濾波器，放大器設計，外形尺寸大，成本高，配置復雜，同時電路各項寄生參數(shù)較大，影響探測器性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高速單光子探測器單片集成電路，可以極大地提高高速單光子探測器的集成度，降低高速單光子探測器的各項寄生參數(shù)和配置難度，降低探測器成本。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

(與權(quán)利要求相對應)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過高速單光子探測器單片集成電路提取高速雪崩信號，一方面取電路體積小，配置簡單，極大提高整個探測系統(tǒng)的集成度；另一方面，電路集成度高，寄生參數(shù)小，極大的抑制了后脈沖概率。此外提取電路對容性響應信號抑制高，雪崩信號放大增益大，提高雪崩信號的信噪比，降低其甄別難度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種高速單光子探測器單片集成電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于ltcc技術(shù)的低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種低噪聲放大電路的結(jié)構(gòu)及配置示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的高速單光子探測器單片集成電路典型的s21參數(shù)圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的典型的雪崩信號波形圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的高速單光子探測器的探測效率與暗計數(shù)的性能指標圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種高速單光子探測器單片集成電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其主要包括：依次連接的第一低通濾波器f1、第一低噪聲放大器a1、第二低噪聲放大器a2與第二低通濾波器f2；其中：

雪崩信號和高頻容性響應信號的混合信號經(jīng)輸入端口(1)接入高速雪崩信號提取芯片，第一低通濾波器f1對混合信號中的高頻容性響應型號進行初步抑制，其輸出信號接入依次連接的第一低噪聲放大器a1與第二低噪聲放大器a2進行放大，第一低噪聲放大器a1通過第一輸入配置端(3)和第一輸出配置端(2)進行配置，低噪聲放大器a2通過第二輸入配置端(5)和第二輸出配置端(4)進行配置，經(jīng)過第一低噪聲放大器a1與第二低噪聲放大器a2放大后的信號再接入第二低通濾波器f2，由第二低通濾波器f2將放大后的信號中的高頻容性響應信號再一次抑制，最后從輸出端口(6)輸出放大后的雪崩信號。

本發(fā)明實施例中，采用組件集成的方式將所述第一低通濾波器f1、第一低噪聲放大器a1、第二低噪聲放大器a2與第二低通濾波器f2集成在一個芯片中。此外，還采用低溫共燒陶瓷(ltcc)技術(shù)，制作了尺寸小，濾波性能好的第一低通濾波器f1與第二低通濾波器f2，通帶頻率范圍dc～1ghz，頻率1ghz以上抑制大于45db，最大抑制60db，實現(xiàn)對容性響應信號的深度抑制；另一方面采用尺寸小的高性能低噪聲放大器芯片，實現(xiàn)對雪崩信號放大。

為了便于理解，下面針對各個器件做進一步的說明。

本發(fā)明實施例中，第一低通濾波器f1與第二低通濾波器f2具有相同的結(jié)構(gòu)，且基于ltcc技術(shù)制作而成。如圖2所示，為基于ltcc技術(shù)的低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖，利用該結(jié)構(gòu)作為第一低通濾波器f1與第二低通濾波器f2。

圖2所示結(jié)構(gòu)主要包括：電感l(wèi)1～l5以及電容c1～c5；其中：

電感l(wèi)1～l5依次連接，信號從電感l(wèi)1的一端輸入，從電感l(wèi)5的一端輸出；

電容c1與電感l(wèi)1并聯(lián)，電容c6與電感l(wèi)5并聯(lián)；電容c2、c3、c4與c5的一端連接在一起后接地，電容c2另一端連接電感l(wèi)1與l2連接點，電容c3另一端連接電感l(wèi)2與l3連接點，電容c4另一端連接電感l(wèi)3與l4連接點，電容c5另一端連接電感l(wèi)4與l5連接點。

本發(fā)明實施例中，所述第一低噪聲放大器a1與第二低噪聲放大器a2聯(lián)在一起，結(jié)構(gòu)完全相同，請參見圖3，二者均包括：輸入隔直電容cin，輸入配置電感l(wèi)b，低噪聲放大器芯片a，輸出隔直電容cout，輸出配置電感l(wèi)d；

所述輸入隔直電容cin的一端接信號輸入，另一端與輸入配置電感l(wèi)b一端及低噪聲放大器芯片a的輸入一端同時相連，電感l(wèi)b另一端作為第一低噪聲放大器a1的第一輸入配置端(3)或第二低噪聲放大器a2的第二輸入配置端(5)；低噪聲放大器芯片a的輸出端與輸出配置電感l(wèi)d一端和輸出隔直電容cout一端同時相連，輸出隔直電容cout的另一端接信號輸出，輸出配置電感l(wèi)d另一端作為第一低噪聲放大器a1的第一輸出配置端(2)或第二低噪聲放大器a2的第二輸出配置端(4)。

還參見圖3，所述第一低噪聲放大器a1與第二低噪聲放大器a2的配置完全相同，均包括：輸入配置電阻rlb，輸入配置電容clb，輸出配置電阻rld，輸出配置電容cld；

所述第一低噪聲放大器a1的第一輸入配置端(3)和第二低噪聲放大器a2的第二輸入配置端(5)，通過各自的并聯(lián)在一起的輸入配置電阻rlb和輸入配置電容clb接地；

第一低噪聲放大器a1的第一輸出配置端(2)和第二低噪聲放大器a2的第二輸出配置端(4)，通過各自的輸出配置電阻rld接供電vcc，同時通過各自的輸出配置電容cld接地。

另一方面，本發(fā)明實施例提供的高速單光子探測器單片集成電路的s21參數(shù)(正向傳輸參數(shù))如圖4所示。使用高速單光子探測器單片集成電路實現(xiàn)的高速門控單光子探測器提取的雪崩信號如圖5所示；所述高速門控單光子探測器探測效率和暗計數(shù)性能指標如圖6所示。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高速單光子探測器單片集成電路，通過高速單光子探測器單片集成電路提取高速雪崩信號，一方面取電路體積小，配置簡單，極大提高整個探測系統(tǒng)的集成度；另一方面，電路集成度高，寄生參數(shù)小，極大的抑制了后脈沖概率。此外提取電路對容性響應信號抑制高，雪崩信號放大增益大，提高雪崩信號的信噪比，降低其甄別難度。

技術(shù)研發(fā)人員：張軍;蔣文浩;潘建偉
受保護的技術(shù)使用者：中國科學技術(shù)大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.24
技術(shù)公布日：2017.10.20