数字平均对红外单光子探测器中温度控制系统信噪改善比的-物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 1 (2013) 014203 数字平均对红外单光子探测器中温度控制系统 信噪改善比的影响* † 王进 魏正军 王赓 郭莉 王金东 张智明 郭健平 郭邦红 刘颂豪 ( 华南师范大学, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 量子信息技术广东高校重点实验室, 广州 510006 ) ( 2012 年5 月30 日收到; 2012 年7 月24 日收到修改稿) 针对用于量子必威体育官网网址通信中单光子探测器需要高精度温控系统的情况, 分析了其温控系统中数字平均方案对系 统信噪改善比的影响, 给出了信噪改善比与平均次数、采样周期、总采样时间和白噪声带宽的函数关系. 针对实际 应用中总采样时间有限的情况, 分别就平均次数、采样周期两个物理参量对系统信噪改善比的作用进行了计算, 给 出了总采样时间一定的情况下, 信噪改善比的表达式, 并定义了最佳的采样次数. 关键词: 单光子探测器, 数字平均, 限带白噪声, 信噪改善比 PACS: 42.50.Ar, 03.67.−a, 42.79.Sz, 07.20.Dt DOI: 10.7498/aps.62.014203 低, 但是, 由后脉冲引起的暗计数率随温度的降低 1 引言 7 而升高 . 更重要的是温度变化导致APD 的雪崩 击穿电压发生变化. APD 的偏置电压与雪崩击穿 单光子探测技术是量子信息科学研究与应用 电压的差值被称为过偏压, 这是决定APD 工作特 中的关键技术, 同时在各种微弱信号测量领域有 性的主要参数. 在偏置电压、甄别器门限电平等其 着广泛的应用. 随着量子信息技术的兴起, 对于 他工作条件一定的情况下, 温度越低, 雪崩击穿电 红外单光子探测器的需求越来越旺盛. 目前, 利用 压越低, 过偏压越大, 探测器的探测效率越高, 但是 InGaAs 雪崩光电二极管(APD) 进行单光子探测仍 是应用的主流方案. 通过不断的方案创新和技术 暗计数率也急剧上升. 因此, 温度的变化将导致单 改良, 在探测速度方面, 采用正弦门控方案的单光 光子探测器的暗计数率、后脉冲率和探测效率的 子探测器工作频率可以达到 1.5 GHz1 , 自差分方 变化, 从而影响测量结果的可靠性, 并可能给量子 8 2 必威体育官网网址通信系统带来安全隐患 . 由于APD 的输出 案实现了2 GHz 的工作频率 ; 在探测效率方面, 积分门控方案把商用APD 的探测效率提高到了 信号是一个复杂的随机分布, 难以提取出有效的反 29.9%34 , 一种改进的自差分方案将探测效率提高 馈信号, 不能形成一个能够稳定工作点的反馈环路. 到30.5%5 ; 在暗计数率方面, APD 平衡相消方案 因此, 只能采用工作参数绝对稳定的方式. 而工作 6 将暗计数率降低到了7 × 10−7 每门, 正弦门控方 在雪崩击穿电压之上的APD 对温度和偏置电压非 1 −7 常敏感,