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。     

在高于253 K温度下的1550 nm波长单光子探测实验

介绍了在高于253 K的温度下，实现红外单光子探测的实验.选用拉通电压较高的雪崩光电二极管（APD），设计制作了非线性限流技术保护高温工作的APD，利用半导体热电制冷器，在256.8K的温度下，实现了1550 nm波段的单光子探测实验.单光子探测的暗记数率为3.13×10－5 ns，在220 kHz/s的单光子脉冲速率下，探测效率为2.08%.     

一种基于雪崩二极管电容特性提取通讯波段单光子信号的方法

InGaAs/InP雪崩二极管(APD)可用于探测光通讯波段的单光子.APD工作于门模盖革模式时,单个光子引起的雪崩电流信号通常淹没在电容瞬时充放电脉冲中,光电流信号提取困难.本文通过调整实验参数和APD的寄生电容,使雪崩信号与放电脉冲在时域上有效叠加,并由高速比较器将光电流信号直接甄别出来.本文设计的基于InGaAs/InP APD的单光子探测系统,运行稳定,方法简单可靠,说明这种利用APD的电容特性提取单光子信号是一种有效的方法.     

红外通信波段SAGM APD单光子探测应用技术研究

研究采用由过度层间隔吸收区与倍增区的InGaAs/InP雪崩光电二极管(SAGM APD)在红外通信波段实现单光子探测的方法,包括管型的选择、特性分析、工作参数以及根据实验结果提出的对这类APD设计制作的改进建议.特别研究目前市售的APD器件用作单光子探测时的实用技术.     

基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究

提出了一种高速门控盖格模式的铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)单光子探测技术。将1.5GHz多次谐波超短脉冲加载到InGaAs/InP APD上,盖革模式下的光生雪崩信号埋藏在短脉冲充放电形成的噪声中,采用700MHz低通滤波器实现了50.6dB的噪声抑制比,有效地提取出了雪崩信号。通过半导体制冷,使InGaAs/InP APD工作在-30℃,1.5GHz短脉冲驱动下的InGaAs/InP APD在1550nm的探测效率为35%,暗计数率为每门6.4×10-5,超过了单纯使用1.5GHz正弦门的探测性能,而且在15%的探测效率下,2.7ns后发生后脉冲的概率仅为每门6.0×10-5。     

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.     

通讯波段单光子探测器的研制

将InGaAs/InP雪崩光电二极管应用于盖革模式下,采用门脉冲模式淬灭雪崩,并使用魔T混合网络抑制尖峰噪声,实现了通信波段1550 nm的单光子探测.在APD工作温度为223 K时,测得暗计数率与探测效率的比值为0.035.     

单光子探测器APD无源抑制特性研究

为了选择高性能单光子探测器件，采用无源抑制方法对工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（APD: avalanche photodiode）特性进行了测量。利用APD两端的电压在雪崩后趋于稳定的特性，获得了一种确定暗击穿电压的方法。特性测量实验结果表明：降低温度能加宽APD的最佳工作区域范围，并提高最佳增益值，从而使APD具有更高的灵敏度。通过对EG&;G系列APD和外延APD暗电流和信噪比特性进行比较，发现外延 APD具有良好的噪声性能和信噪比性能，适用于单光子探测。     

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。     

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。     

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.     

Internal cancellation of spikes using two avalanche photodiodes in series for single photon detection

<正>We propose a method of improving the performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes by using two avalanche photodiodes in series as single photon detectors for 1550-nm wavelength.In this method,the raw single photon avalanche signals are not attenuated,thus a high signal-to-noise ratio can be obtained compared with the existing results.The performance of the scheme is investigated and the ratio of the dark count rate to the detection efficiency is obtained to be 1.3×10~(-4) at 213 K.     

Detection efficiency characteristics of free-running In Ga As/In P single photon detector using passive quenching active reset IC

In Ga As/In P avalanche photodiodes(APD) are rarely used in a free-running regime for near-infrared single photon detection. In order to overcome the detrimental afterpulsing, we demonstrate a passive quenching active reset integrated circuit. Taking advantage of the inherent fast passive quenching process and active reset to reduce reset time, the integrated circuit is useful for reducing afterpulses and is also area-efficient. We investigate the free-running single photon detector's afterpulsing effect, de-trapping time, dark count rate, and photon detection efficiency, and also compare with gated regime operation. After correction for deadtime and afterpulse, we find that the passive quenching active reset free-running single photon detector's performance is consistent with gated operation.     

Avalanche mechanism analysis of 4H-SiC n-i-p and p-i-n avalanche photodiodes working in Geiger mode

Understanding detailed avalanche mechanisms is critical for design optimization of avalanche photodiodes(APDs). In this work, avalanche characteristics and single photon counting performance of 4 H-Si C n-i-p and p-i-n APDs are compared. By studying the evolution of breakdown voltage as a function of incident light wavelength, it is confirmed that at the deep ultraviolet(UV) wavelength region the avalanche events in 4 H-Si C n-i-p APDs are mainly induced by hole-initiated ionization,while electron-initiated ionization is the main cause of avalanche breakdown in 4 H-Si C p-i-n APDs. Meanwhile, at the same dark count rate, the single photon counting efficiency of n-i-p APDs is considerably higher than that of p-i-n APDs. The higher performance of n-i-p APDs can be explained by the larger impact ionization coefficient of holes in 4 H-Si C. In addition, this is the first time, to the best of our knowledge, to report single photon detection performance of vertical 4 H-Si C n-i-p-n APDs.     

Improved Fake-State Attack to the Quantum Key Distribution Systems

It has been showed that most commercial quantum cryptosystems are vulnerable to the fake-state attacks, which employ the loophole that the avalanche photodiodes as single photon detectors still produce detection events in the linear mode. However, previous fake-state attacks may be easily prevented by either installing a watch dog or reconfiguring the dead-time assigning component. In this paper, we present a new technique to counteract the after-pulse effect ever enhanced by the fake-state attacks, in order to lower the quantum bit error rate. Obviously, it is more difficult to detect the presented attack scheme. Indeed, it contributes to promoting of implementing a secure quantum cryptosystem in real life.     

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。     

半导体量子器件物理讲座第七讲半导体异质结光电探测器

光电探测器是一类用于接收光波并转变为电信号的专门器件，文章描述了PIN光电二极`管雪崩光电二极管、MSM（金属－半导体－金属）光电二极管的器件结构和工作原理，并对它们的响应度、噪声、带宽等特性进行了讨论，这类器件已在光通信、光信息处理等许多系统中得到广泛的应用。