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单光子探测技术是超灵敏光信号检测的诸多技术之一,在物理学、化学、生物学等学科以及工程应用领域有着十分广泛的应用。近年来,随着量子信息科学的兴起以及超灵敏光谱学的发展,单光子探测技术在其中扮演着越来越重要的角色。
单光子探测器(SPD)的工作频率直接决定了系统的成码率,因此在短门脉冲驱动技术大行其道的现状下,单光子探测器的工作频率日益提高。随着门脉冲的宽度逐渐变窄,脉冲占空比逐渐提高,这就给雪崩光电二极管(APD)的外围抑制电路尤其是前置放大器提出了更苛刻的要求。
由于光照APD的PN结所激发的光生载流子与晶格中的原子发生碰撞过程是一个复杂随机的过程,APD输出的雪崩脉冲的幅度分布也是一个复杂的随机分布,可以将APD产生的雪崩脉冲视为高斯脉冲。高速工作的APD产生雪崩脉冲在0～几GHz范围内频谱分布比较均匀。而且由于APD是容性器件,随着门脉冲重复频率的提高,容性电抗值逐渐降低,在取样电阻上获得的尖峰噪声也越来越大。同时随着脉冲占空比的提高,正脉冲的幅度降低,使得雪崩增益降低,雪崩信号的幅度减小。因此,工作频率提高后,单光子探测的整体信噪比是快速下降的。鉴于此,作为单光子探测外围电路的核心部分,用于高速SPD的前置放大器必须具有超带宽、低噪声性能及较大功率增益等特性。
本文的主要工作有:
1.探索了适用于单光子探测器的前置宽带放大器的分析与设计方法,提出了一种新的微波放大器拓扑结构,改进了传统负反馈放大器的性能；建立了基于高电子迁移率晶体管的改进型负反馈放大器的高频电路模型,并对该模型给出了详尽的理论分析与计算。基于矩量法的三维电磁仿真,对APD外围电路做了瞬态分析。
2.设计了针对高速SPD的5MHz-6GHz的超宽带、低噪声、低成本放大器。该放大器与目前已报道的用于SPD的前置放大器相比具有更大的带宽、更低的噪声系数、较低成本等优点；此外,该放大器前端能与雪崩信号输出端很好的阻抗匹配,以减少放大器引起的反射。该前置放大器工作频段5MHz～6GHz；功率增益G≈20dB；增益平坦度△G≤1.2dB；噪声系数NF≤2.8dB；输入输出驻波比VSWR≤1.8.
3.研制了满足我们实验室需求的SPD宽带前置放大器,并对该放大器做了窄脉冲测试。实验表明由于前置放大器的带宽足够大,噪声系数比较小,被放大的电脉冲波形非常好,信噪比很高,利于后续甄别电路的计数。研制的放大器能很好的用于雪崩光电二极管的前端,满足了实验室需求。