高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件,在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用.然而,由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感,因此在外场环境下工作时容易出现增益波动,继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移,严重降低了探测器的时间稳定性.本文发展了一种稳定输出延时的方法,采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管,使其处于恒定温度,并实时补偿由环境温度引起的延时漂移,实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测.实验中,环境温度从16 ℃变化到36 ℃,雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃,经过延时补偿,雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps,时间稳定度达到0.15 ps@100 s.这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.     

单光子探测器雪崩光电二极管的低温控制系统及其温度特性

根据单光子探测系统的要求及其特点,采用半导体制冷技术,研制出了用于单光子探测的雪崩光电二极管(APD)的水循环散热制冷腔。通过配备测量精度为0.1℃的温控仪,降低了APD的工作环境温度。通过实验探讨了APD的温度特性,得到了APD的雪崩电压、暗电流、光电流、等效噪声功率与温度的关系。结果表明:降低APD的工作温度有利于减小APD的等效噪声功率,APD存在最佳工作温度。     

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为了检测到散射信号且有较高的信噪比,使用硅雪崩二极管(APD)探测器探测汤姆逊散射光,采用电荷敏感运算放大器减小电子噪声。同时,设计了放大电路,并采取了一些抗干扰措施。在实验中,此激光汤姆逊散射系统成功地测量出HT-7等离子体的电子温度。     

基于APD线列的单光子探测计数研究

单光子探测系统可以对单个光子进行探测;探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分;探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成;在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止,淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流,快速降低雪崩电压,以达到提高探测效率,降低错误计数的目的;APD线列产生多个光子脉冲信号,计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压,保证每路APD淬灭电路的正常工作。     

基于FPGA的单光子雪崩光电二极管的标定系统

目前单光子雪崩光电二极管的标定系统主要是通过分立的通用测试仪器搭建而成。由于单光子雪崩光电二极管的工作模式存在多样化的特点,因此使用该方法搭建的标定系统具有缺乏兼容性、复杂度高、集成化程度低等不足。针对这些问题,本文发展了一种基于现场可编程门阵列的,可以兼容各种雪崩抑制模式的,高度集成化的多种材料体系器件兼容的单光子雪崩光电二极管标定系统。该系统使用现场可编程门阵列替代函数发生器、脉冲产生器和计数器等仪器设备,并利用现场可编程门阵列实现不同雪崩抑制模式下雪崩光电二极管的驱动电路和标定光源的智能切换,从而大幅提高了系统的兼容性和集成化程度,也进一步降低了系统的复杂度、提高了系统的稳定度。文中,我们利用该系统对工作在主动抑制模式的硅雪崩光电二极管和门控盖革模式的铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管进行了标定实验。标定结果显示所标定的硅雪崩光电二极管的最大探测效率为49.82%,对应暗计数为1.41kHz;铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管的最大探测效率为7.14%,对应暗计数为831 Hz,在探测效率为5%时,后脉冲的概率为5.84%。实验结果表明,我们为单光子雪崩光电二极管标定提供了一种便捷的一体化解决方案,提高了单光子雪崩光电二极管的标定效率和标定系统的实用化程度。     

硅雪崩光电二极管单光子探测器

将硅雪崩光电二极管应用于盖革模式下,制作出高量子效率、低噪音、短死时间的单光子探测器.设计并制作了雪崩抑制电路,获得探测器特性参量为无源抑制方式下死时间1μs,有源抑制下60～80ns,输出脉冲宽度15～20ns.并详细检测了探测器直到液氮温度下的特性.观察到一些新现象.     

采集强干扰下微弱信号的APD电路系统研究

基于雪崩光电二极管反向偏压及其电容特性,利用时间同步原理,构建了一个用于回避强烈反射光信号,探测微弱回波信号的雪崩光电二极管探测系统.对雪崩光电二极管电容效应作出了分析,得出交流高压供电会使雪崩光电二极管产生干扰尖峰脉冲的结论.为了消除这个电容效应产生的尖峰干扰,提出了施加直流反向低压的方案,以达到减少雪崩光电二极管电容变化量的目的.通过实验数据验证了方法可行性.     

Ⅰ层厚度对限幅器热损伤效应的影响

基于器件物理模拟分析法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN二极管二维多物理场仿真模型,研究了在5.3,7.5,9.4 GHz的微波脉冲作用下,不同Ⅰ层厚度的二极管模型的峰值温度变化。仿真结果表明:Ⅰ层厚度对PIN二极管微波脉冲热效应的影响分两个阶段,拐点前厚度增加,峰值温度提高,拐点后厚度增加峰值温度降低;一定范围内微波脉冲频率的变化对拐点影响不明显。     

长脉冲激光辐照Si-APD温度演化过程的数值模拟与实验研究

针对1064nm长脉冲激光辐照硅雪崩光电二极管(Si-APD)过程中所引起的温升变化规律进行了理论与实验研究。在考虑Si-APD多层结构的前提下,建立了二维轴对称热传导模型,据此进行了不同条件下的模拟仿真研究,并开展了长脉冲激光辐照Si-APD的温升实验研究。模拟仿真结果与实验结果相一致,均表明长脉冲激光与Si-APD相互作用引起的温升是由入射激光的能量密度和脉冲宽度共同决定的。     

基于雪崩光电二极管的弱光探测技术研究

通过采用无源抑制方法对雪崩光电二极管的弱光探测技术进行了研究,分析了工作在盖革模式下的InGaAs APD的特性。利用APD两端的偏置电压VB在其雪崩后趋于稳定的特性,确定了其雪崩暗击穿电压,并且在水冷温控系统中,测得了APD雪崩暗击穿电压与温度的关系。结果表明,APD的雪崩暗击穿电压随着温度的上升而增大,光子群(弱光)到达时,APD探测到的在某一幅值处的脉冲数明显增加,其脉冲幅度也将增大。