GHz photon-number resolving detection with high detection efficiency and low noise by ultra-narrowband interference circuits

We demonstrate the photon-number resolution(PNR)capability of a 1.25 GHz gated InGaAs single-photon avalanche photodiode(APD)that is equipped with a simple,low-distortion ultra-narrowband interference circuit for the rejection of its background capacitive response.Through discriminating the avalanche current amplitude,we are able to resolve up to four detected photons in a single detection gate with a detection efficiency as high as 45%.The PNR capability is limited by the avalanche current saturation,and can be increased to five photons at a lower detection efficiency of 34%.The PNR capability,combined with high efficiency and low noise,will find applications in quantum information processing technique based on photonic qubits.

盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真

基于盖革模式APD阵列激光雷达是一种非扫描三维成像激光雷达,为研究系统的三维成像效果,对该系统的三维图像进行仿真。首先应用光线追踪法构建三维场景;并对APD像元的探测概率和累积概率进行仿真,在此基础上给出对探测距离仿真的方法,得到激光雷达探测的距离像;最后通过坐标变换将距离像转化为三维图像,实现了三维场景重建。仿真结果表明,该方法能较好地仿真出激光雷达获得的场景三维图像,并可以为APD阵列激光雷达的研究提供仿真试验数据。

采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术

红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比,有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35μm CMOS工艺,提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构,在170 MHz时钟频率下,实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3μs的量程,并在1 k Hz的帧率下采用串行模式输出数据,经相关数据处理,最终实现测距轮廓成像的功能。

基于APD接收机的LDPC精确译码算法

从研究APD光电检测接收机被检测光场的量子统计模型出发,构造了一种适用于强度调制/直接检测的自由空间光通信系统中LDPC译码的精确实现方法。该方法在APD接收机输出统计模型（Webb-Gaussian模型）的基础上,推导了M-PPM的LDPC译码算法中初始似然比值的精确计算方法,并给出了详细的译码过程。理论分析和仿真结果表明,与目前普遍采用的APD近似非对称Gaussian统计模型下的译码性能相比较,在相同的信道条件下,该方法可以获得大约1~2 d B的性能增益。这为进一步提高自由空间光通信系统的性能提供了一定的理论依据。

一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

X射线单光子探测电路是将入射X射线单光子转换成电信号,进而测量入射光子到达时间和能谱特性的电路,是X射线脉冲星导航的关键技术之一。文章通过分析X射线脉冲星的辐射特性提出了一种基于硅-雪崩光电二极管(Si-APD)的探测电路,Si-APD探测器通过外置偏置高压对入射X射线单光子电离出来的电子进行雪崩放大,偏置电压随着温度的变化自动调节,保证Si-APD增益的稳定性。雪崩抑制电路的作用是对探测器进行复位以探测下一个X射线单光子,文章给出了雪崩抑制电路的工作原理和设计方法,并进一步讨论了在单光子探测应用条件下的前置放大电路和主放大电路设计,合理设计电荷灵敏前置放大器是实现电流电压转换、高增益、低噪声和高时间精度的关键技术,整形带通主放大器作为Si-APD的放大电路,设计合适的带宽和增益可以提高系统信噪比、稳定性、时间分辨率和能谱测量精度。该电路相比于正比计数器、硅漂移探测电路等,具有体积质量较小、可靠性高、造价低廉等优点,可实现高速、高信噪比的X射线单光子探测电路设计。

基于LED和APD的便携式紫外光通信系统设计

设计了基于紫外LED和雪崩光电二极管(APD)的便携式紫外光通信系统,给出了发送端和接收端的电路设计方案,系统采用开关键控(OOK)调制方式,主要的信号处理模块由FPGA完成。实验结果表明,实现了100m距离内的实时语音通信,误码率小于10-6。解决了现有紫外光通信系统价格昂贵和体积大的不足。

OTDR设计中APD偏置电压的自适应精确控制

针对相同偏置电压下雪崩光电二极管(APD)的增益会随温度变化,从而影响到光时域反射仪(OTDR)的动态范围的问题,提出了一种APD偏置电压自适应精确控制的方案。在各个适宜的工作温度下,该方案可以保证偏置电压始终工作在接近雪崩电压,使APD在最佳增益时稳定工作,从而提高OTDR的动态指标,并解决OTDR高低温测试时动态范围波动大的问题,使得动态范围波动被控制在0.3 d B以内。

基于盖革模式APD阵列的激光雷达性能分析

针对基于盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的激光雷达,提出一种分析其探测性能的方法。通过分析APD像元产生的初级光电子和噪声计数率,对APD像元的探测概率、虚警概率和漏警概率进行研究和仿真。结果表明,当激光雷达发射和接收光学系统一定时,且探测500 m处目标,激光脉冲能量小于150μJ时,APD的探测概率随着激光脉冲能量的增加而提高;当激光脉冲能量在150μJ以上增加时,APD的探测概率保持不变。

APD阵列探测器在自由空间光通信上的应用研究

自由空间光通信(free space optical communication,FSO)技术是通信前沿技术之一,雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)阵列探测器以其高灵敏度、高带宽、低噪声的优势应用于FSO系统,成为国内外研究热点。本文分析了FSO对APD阵列探测器的性能需求,回顾了国内外近年来用于无线光通信的APD阵列的研究现状,其中重点介绍了美国林肯实验室以及海军实验室的研究成果,最后对APD阵列探测器在FSO应用的发展方向进行了预测与总结。

分布式光纤测温系统中APD探测电路设计

为提高基于拉曼散射分布式光纤测温系统整体的探测精度并增加探测距离,设计了性能优良的APD(Avalanche Photo Diode)探测电路。对光电探测器件工作技术参数进行分析,选定响应度高和带宽范围大的雪崩二极管作为转换前端,采用高精度快速集成运算放大芯片CLC425设计带有滤波的多级放大电路。实验结果表明,该电路实用可靠,具有响应速度快、精度高和宽带大(100 MHz)的特性,可有效提高拉曼测温系统的动态精度和测温范围。

大面积APD接收电路设计与实现

针对光电探测器检测微弱光信号时输出信号幅度小且易失真的问题,设计了可见光波段的大面积雪崩光电二极管(APD)接收电路。该电路包括大面积的APD探测器、跨阻放大器(TIA)和后续微弱信号处理电路。实验结果表明:设计的大面积APD接收电路可以实现60 Mb/s的可见光信息采集,灵敏度低至-35 dBm;微弱信号处理电路具有较好的跟随和整形恢复能力。

高灵敏度光收发组件自动温度控制技术研究

为了实现数字信号长距离和高可靠的传输,设计了一种高灵敏度、高集成的数字光收发组件。介绍光收发组件的工作原理,设计基于分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)和雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)探测器的高灵敏度光收发组件,详细分析其中自动功率控制功能、消光比自动控制以及自动APD升压控制的设计。实验结果表明,温控精度可达±0.1℃,组件工作稳定,可以满足数字信号高灵敏度和长距离的传输需求。

量子密钥分发系统防死时间攻击方案研究

为进一步提升量子密钥分发(QKD)技术的实用性和安全性,挖掘QKD系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的QKD系统的攻击方式,攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏QKD系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击,提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案,该方案通过使用TDC时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证,该方案具备可行性。

双通道激光主动探测系统

为了有效探测"猫眼"目标的微弱回波信号并获得目标区域的直观图像信息,设计了基于雪崩光电二极管(APD)单元探测器和电荷耦合器件(CCD)面阵探测器的双通道激光主动探测系统。介绍了硬件设计的基本思路,包括各模块功能、组成和主要部件所采用的型号。针对双通道探测模式的关键技术,阐述了APD探测模式下接收放大电路的设计方法,并分析了CCD探测模式下响应波长的匹配问题。最后,在外场条件下,利用望远镜和激光测距机等典型"猫眼"目标对该双通道激光主动探测系统进行了实验验证。实验结果表明,利用APD探测模式进行探测时,550m距离处望远镜的回波能量响应是类镜面目标回波能量响应的2.87倍以上;利用CCD探测模式进行探测时,550m距离处望远镜的回波能量响应和2 500m距离处激光测距机光学窗口的回波能量响应分别是背景目标回波能量响应的2.72倍和2.31倍以上。该双通道激光主动探测系统可将典型"猫眼"目标从背景及干扰目标中清晰检出,验证了探测系统设计的合理性和有效性。

用于智能汽车的小型LD激光测距仪

介绍了一种采用半导体激光二极管(LD)为光源的小型激光测距仪的系统组成、工作原理及其关键技术。所研制的测距仪具有结构简单、成本低廉的特点,可广泛应用于各种智能车辆中作为防撞雷达使用,也可应用于各种测距精度要求不高的场合。

光纤通信有源器件的发展现状

光纤通信技术的飞速发展使其成为当今信息社会的重要支柱。其发展的基石是有源和无源半导体光电子器件。综述了几种主要的有源光电子器件的研究现状及其发展趋势,包括高速调制DFB激光器及其集成芯片、EDFA泵浦源用980 nm半导体高功率激光器、化合物半导体光电探测器、硅基长波长光电探测器等。

激光探测系统雪崩管实时补偿研究

针对激光探测系统的背景辐射和工作温度严重影响雪崩管(APD)电流增益和信噪比的问题,采用激光接收机噪声传递函数对APD进行了实时补偿。通过分析APD基本应用电路噪声模型及各补偿方法作用原理,提出不同环境中APD应采用特定补偿方法,并设计了一种基于开关电源功率开关管通断的实时温度补偿方法。对实时噪声、实时温度补偿在不同环境中的作用效果进行了对比实验,结果表明:在环境温度基本恒定的系统中,噪声补偿对背景光剧烈变化引起的输出噪声抑制效果显著;当背景光照度由3 lx突变为200 lx后,偏压由132 V调整至178V的响应时间约为10.4 ms;当背景光功率低且环境温度变化剧烈时,温度补偿对输出噪声具有较好的抑制效果,而噪声补偿效果欠佳;当环境温度由-20℃突变为80℃后,偏压由131 V调整至198 V的响应时间约为11.2 ms。

背景辐射功率对星载激光高度计信噪比的影响研究

"嫦娥一号"卫星的有效载荷激光高度计通过测量发射与接收信号之间的时间间隔,获得星—月距离数据.本文分析了背景辐射功率、倍增因子与激光高度计最佳信噪比之间的关系,并利用积分球进行了不同背景辐射功率下的信噪比试验,验证了背景辐射功率以及雪崩二极管倍增因子对接收系统信噪比的影响.结果表明,在不同的背景辐射功率条件下,存在不同的最佳倍增因子,使接收系统获得最大信噪比.

基于AD500-9激光测距系统的设计

基于AD500-9型雪崩光电二极管设计以窄脉冲发射、雪崩光电二极管偏置、弱光信号处理和计时电路为主要结构的激光测距系统.利用标准时基发生器对计时电路进行验证,采用线性拟合方法使时间测量的精度为10-10量级.采用软件校准方法将测距实验中的测量误差控制在±0.1m以内,并对误差进行分析.

便携式γ能谱仪闪烁探头改进设计及性能研究

为满足当前便携式γ能谱仪对高性能闪烁探头的需要,本文提出了采用CsI(Tl)晶体耦合雪崩光电二极管的方式代替NaI(Tl)晶体耦合光电倍增管以构成新的闪烁探测器,并设计了低噪声电荷灵敏放大器作为探测器读出电路。根据唯一变量原则分别测试了能量分辨率随温度与偏压的变化规律,并对多种放射源的γ射线进行能谱响应实验。实验结果表明:当温度为23℃且偏压为370V时,该闪烁探头对^(137) Cs、^(226) Ra、^(60) Co和^(152) Eu源的γ射线具备优异的能谱响应特性,其中,对^(137) Cs源的γ射线能量分辨率可达4.98%,输出信号信噪比可达21∶1,上升时间为80ns。可见,改进后的闪烁探头的性能有大幅提升,具备能量分辨率更佳、体积更小、抗机械性能与适用性更强等优点。