红外单光子探测器

InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。

InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。

本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。

搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。

对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。

目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。

单光子探测器技术原理简介1. 工作原理单光子探测器是一种对微弱光信号进行探测的设备，输入光强度最低可到单光子水平。

以通信最常用的1550nm和1310nm光波长为例，单个光子的能量分别为1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，这意味着输入信号能量极其微弱，必须使用特殊的光子检测器件探测输入光子脉冲事件。

不同种类的雪崩管服务于不同的探测应用目的，例如基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。

薄结工艺标准CMOS工艺厚结工艺常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构数据来自Micro Photon Devices公司数据来自Perkin Elmer公司单光子探测器的工作原理是利用工作于盖革模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。

所谓盖革模式是指APD 工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖革模式与线性模式的区别在于能够将微弱光生载流子放大产生宏观电流。

根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控工作模式和自由运行模式两类。

光子入射到APD内部引发雪崩，产生微弱雪崩电流脉冲。

探测器内部处理电路采用跨导放大器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表示检测到了输入单光子或微弱光脉冲，而脉冲前沿位置代表光子输入时刻。

光子输入事件及其发生事件正是量子信息、单光子雷达等应用关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输入光强度。

入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。

根据淬灭方式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。

通过空间耦合光内部集成了TEC，耦合光纤输入耦合光纤，需外部配置TEC量子通信主流技术是基于通信光纤的方案，与常规通信一样远距离传输必然使用单模光纤，例如电信基础设施建设广泛应用的G.652单模光纤。

单光子探测器及其发展摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。

关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD）中图分类号：TP21.14 文献标识码：A一、引言单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。

由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

二、单光子探测器的原理及种类单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。

单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。

这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]：（1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；（2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区；（4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。

入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。

计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。

脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。

V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。

可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。

专利名称：APD温度自适应近红外单光子探测装置专利类型：实用新型专利
发明人：张战盈,徐赤东,纪玉峰,余东升,方蔚恺,张伟丽申请号：CN201320859186.7
申请日：20131220
公开号：CN203732166U
公开日：
20140723
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了APD温度自适应近红外单光子探测装置，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接；雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块安装在外壳的内腔；雪崩光电二极管APD嵌入外壳的前端。

本实用新型通过直流偏压温度跟随电路，保证温度变化时APD增益的稳定。

申请人：中国科学院合肥物质科学研究院
地址：230000 安徽省合肥市董铺岛
国籍：CN
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电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称红外与传感技术题目名称单光子探测器研究进展学号姓名2014年6月20日摘要：单光子探测是一种极微弱光探测技术, 在高分辨率光谱测量、高速现象检测、精密分析、非破坏性物质分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、地球科学、空间科学、量子信息等领域有着极其广泛的应用。

本文主要从工作原理、工作参数和优缺点等方面介绍了目前常用的单光子探测器件和技术。

关键词：单光子，近红外，探测器1 引言自从1984年Bennett 和Brassard 提出第一个量子密码术方案并于1989 年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后，世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮。

作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景，而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力。

量子通讯是利用量子态不可克隆的原理来保护量子载体中的保密信息不被窃取，根据量子探测原理，窃听者获取的载有相同信息的量子体系数量越多，其经过多次探测后获得正确信息的可能性就越大，所以载有保密信息的量子体系越少越好。

因此在各种QKD方案中，实际载有信息的量子体系一般都是单光子。

对一套QKD方案来说，单光子探测的表现很大程度上影响其安全性和最大有效通讯距离，很多QKD系统的潜在漏洞都是由于量子器件的不够完美造成的。

同时，单光子探测器的重复频率影响系统的工作频率，探测效率影响系统的成码率，暗计数率影响误码率和基于误码率检测的安全性分析。

除此之外，某些单光子探测器对不同偏振态入射的光子有不同的探测效率，这同样会影响系统成码率的稳定度。

若单光子探测器具有良好的光子数分辨能力的话，基于光子数布居的安全监测方法也能够增加系统的安全性。

所以单光子探测器性能对量子通讯有着非常重要的意义。

2 单光子探测器件参数单光子探测器（Single Photon Detector SPD）的基本功能是响应单个或多个光子，并输出相应的计数脉冲信号以表征该光子。

第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021高增益红外单光子探测技术研究进展（特邀）吴静远、刘肇国张彤2(1.东华大学理学院光电科学与工程系，上海201620;2.东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化国际合作实验室，江苏南京210096)摘要：超灵敏单光子探测是光量子信息和量子调控领域发展的关键技术，实现高效率、超灵敏、低功耗以及低成本的单光子探测具有重要的科学意义和应用价值。

与可见光波段的S i基单光子探测器相 比，红外响应单光子探测器目前在成本和性能方面都存在较大差距，探索基于新材料和新机制的红外单光子探测技术是光电探测领域发展的迫切需求。

近年来，低维材料由于其独特的物化性质，为研制高增益、室温工作和宽波段响应的探测器提供了新的可能，高性能低维材料光电探测技术也成为了当前红外探测领域的研究热点。

文中首先回顾了传统雪崩类半导体红外光电探测器的基本原理，在此基础上,介绍了基于新型低维材料的雪崩机制光电探测技术的最新进展，之后讨论了光诱导栅压效应型光电探测器件的新型光增益放大机制，并描述了在该工作机制下相关低维材料红外探测器的基本结构和性能表现。

最后展望了高增益红外单光子探测技术的未来发展方向和面临的挑战。

关键词：单光子；雪崩机制；低维材料；红外探测器中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211016Research progress of infrared single-photondetection with high gain (Invited)Wu Jingyuan1,Liu Zhaoguo2,Zhang Tong2(1. D e p a rtment of Optoelectronic Science and Engineering, College of Science, D o n g h u a University, Shanghai 201620, China;2. Joint International Research Laboratory of Information Display a n d Visualization, School ofElectronic Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract:Ultra-sensitive single-photon detection is a key technology for the development of optical quantum information and quantum manipulation.It is of important scientific significance and application value to realize high-efficiency,high-sensitivity,low-power and low-cost single-photon photodetectors.There is still a large gap between visible single-photon detector based on silicon and infrared ones in terms of the cost and performance. Exploring the technology of infrared single-photon detection with novel materials and mechanism has become the urgent needs in the field of photodetection.In recent years,low-dimensional materials have offered a new possibility for realizing high-gain,room-temperature and broad-band photodetectors due to their unique physical and chemical properties.The research on the low-dimensional materials based photodetectors with good performance has also become a hot topic in the field of infrared photodetection.In this review,the basic principlesof traditional avalanche infrared photodetectors were introduced firstly.On this basis,the latest development of avalanche devices based on novel low-dimensional materials was summarized.Then the new gain amplification mechanism of the photodetector based on photogating effect was discussed and the structure as well as the收稿日期:2020-11-03;修订日期:2020-12-14基金项目:国家自然科学基金（62005042, 61875241);上海市青年科技英才扬帆计划（20Y F1401400);中央高校基本科研业务费专项资金 (2232020D-44)第1期红外与激光工程^504-performance of the devices were reviewed.Finally,the future developing directions and challenges of the infrared single-photon detection technology were prospected.Key words:single photon;avalanche effect;low-dimensional materials;infrared photodetector〇引言单光子探测是一种光子尺度下的极限灵敏光电 探测技术，在量子通信、激光雷达、精密测量以及超 灵敏探测等前沿学科领域发挥着重要作用[14]，尤其 随着量子信息科学领域的迅猛发展，极大地推动了高 性能单光子探测技术研究，部分可见光硅基单光子探 测器已经实用化并得到广泛应用。