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。     

用于红外单光子探测的雪崩光电二极管传输线抑制电路模型的理论分析

结合利用雪崩光电二极管(APD)进行红外单光子探测电路模型的工作原理和特点以及传输线瞬态电脉冲产生的过程,提出了将传输线瞬态过程脉冲发生电路模型用于APD雪崩抑制的一种新方法,该方法可以实现利用APD门模工作方式进行红外单光子探测的过程.主要从理论上计算了红外单光子信号入射APD时,传输线脉冲发生电路模型中负载电阻输出电脉冲的特点,讨论了传输线终端不同边界条件对输出电脉冲的影响,通过理论计算确定了这种利用APD进行红外单光子探测新模型的电路结构与参数,证明了该电路模型用于红外单光子探测APD门模工作方式的 关键词： 红外单光子探测技术 雪崩光电二极管(APD) 抑制电路 传输线瞬态过程     

硅雪崩二极管光子辐射特性的实验研究

利用计数统计测量的方法，对工作在击穿状态下的硅雪崩光电二极管(APD)光子辐射的暂态特性以及计数统计特性进行了实验研究.将APD辐射光子的计数统计曲线与相应Poisson、热光场进行比较，发现其在采样时间为10 ms的情况下计数统计服从Super-Poisson分布.另外实验给出了APD光子辐射的光谱特性.     

盖革模式下反偏压对雪崩光电二极管贯穿特性的影响

利用无源抑制技术,研究了盖革模式下雪崩光电二极管（APD）的电流一电压特性。发现光电流和暗电流的一个显著区别是暗电流不反映贯穿特性,这是光生栽流子和热载流子有不同统计分布的实验证据,也说明在盖革模式下,暗计数增加比光子探测效率增加更快的原因是由于载流子收集效率不同引起的。根据其贯穿特性适当选择盖革模式下APD的反偏压可提高单光子探测器的信噪比。     

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。     

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.     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

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%.     

雪崩光电二极管的雪崩发光串扰研究

在使用时间关联单光子计数的量子保密通信、量子密码术等量子光学领域中,雪崩光电二极管(APD)拥有广泛的应用。然而在其工作过程中,吸收层接收到光子形成载流子,载流子个数在倍增层进行指数型增益,每个载流子通过P-N结结点均有一定概率发出光子,发出的光子在一定条件下会串扰进入另一个雪崩二极管。在盖革模式下进行单光子探测时,这种串扰光子会严重影响时间关联单光子计数的实验结果。研究了APD雪崩原理,实验中做出了串扰峰对比度比较高的现象,分析了影响串扰峰间距和形状的因素,提出通过光隔离规避串扰现象,并通过实验验证了这种避免串扰方法的可行性。     

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.     

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.     

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.     

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.     

Numerical analysis of In0.53Ga0.47As/InP single photon avalanche diodes

A rigorous theoretical model for In 0.53 Ga 0.47 As/InP single photon avalanche diode is utilized to investigate the dependences of single photon quantum efficiency and dark count probability on structure and operation condition.In the model,low field impact ionizations in charge and absorption layers are allowed,while avalanche breakdown can occur only in the multiplication layer.The origin of dark counts is discussed and the results indicate that the dominant mechanism that gives rise to dark counts depends on both device structure and operating condition.When the multiplication layer is thicker than a critical thickness or the temperature is higher than a critical value,generation-recombination in the absorption layer is the dominative mechanism;otherwise band-to-band tunneling in the multiplication layer dominates the dark counts.The thicknesses of charge and multiplication layers greatly affect the dark count and the peak single photon quantum efficiency and increasing the multiplication layer width may reduce the dark count probability and increase the peak single photon quantum efficiency.However,when the multiplication layer width exceeds 1 μm,the peak single photon quantum efficiency increases slowly and it is finally saturated at the quantum efficiency of the single photon avalanche diodes.     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

Modeling the effects of interface traps on passive quenching of a Ge/Si geiger mode avalanche photodiode

The influence of interface donor and acceptor traps on the behavior of Ge/Si separate absorption, charge and multiplication Geiger mode avalanche photodiodes under passive quenching is modeled. The effects of different trap types on the quenching behavior are investigated in this paper for the first time. Our results show that trap type and trap density significantly influence the APD quenching time and ability to quench for a particular quenching resistor.