应用于量子通信的噪声抑制单光子探测电路设计

论文摘要

随着光量子通信的飞速发展,量子通信速率不断提高,对单光子探测器的要求也越来越高。固定门控单光子探测系统,作为单光子探测器的一种架构,在光子到达频率已知的情况下,基于工作在盖革模式（Geiger Mode,GM）下的雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）,通过门脉冲控制的方式,使APD在待测-淬灭两种状态下周期变换,高频门控频率下,能够有效地抑制APD的暗计数,提高探测效率。由于APD具有容性特性,较高的门控频率,会产生幅值和频率较雪崩信号更大的尖峰噪声信号,进而影响光子的检测。本文设计了一种应用于量子通信的GHz门控单光子探测电路,通过差分结构消除尖峰噪声,提取雪崩信号并进行放大。具体方案为采用两个容性特性一致的APD,一个感光,另一个遮光处理,两路产生相同的尖峰噪声信号,通过全差分低噪声放大器电路消除,APD阴极通过一个高阻,接到高压偏置,偏置电压略低于APD的盖革模式电压,门控信号为高电平时,APD处于待测模式,反之对APD进行淬灭。感光的APD在待测模式下接收光子时会产生雪崩信号,通过50Ω的采样电阻,将雪崩信号提取并放大,经比较器输出一个高电平,便于计数。在Cadence软件平台下,采用TSMC 0.35μm 3.3V CMOS标准工艺完成了GHz差分门控单光子探测系统的电路设计及版图设计,对系统电路仿真验证,结果满足设计指标。对系统电路流片并测试,测试结果表明,本文设计的门控差分单光子探测电路能够消除尖峰噪声信号,放大雪崩信号并进行数字量化。传输延时小于6ns,即光子帧频小于160MHz的条件下都能够正常实现检测;尖峰噪声抑制比为-36.2dB;电路探测效率为90.6%。最后给出了测试结果退化的原因并给出了可行的改进方案。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘凯

导师: 吴金,陈健

关键词: 门控,单光子探测,雪崩倍增二极管,尖峰噪声,雪崩信号,量子通信

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 东南大学

基金: 江苏省自然科学基金项目

分类号: TN312.7;O572.212

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003787

总页数: 73

文件大小: 3046k

下载量: 16

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