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     

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.     

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。     

近红外单光子探测

随着以单个光子作为信息载体的量子通信和量子加密技术的兴起,近红外单光子探测技术受到了广泛关注.近红外单光子探测系统具有极高的灵敏度,所以它还可以胜任探测其它近红外波段微弱光信号的任务.半导体雪崩光电二极管是当前最成熟的近红外单光子探测系统的核心元器件;文章阐明了雪崩光电二极管的暗电流和击穿电压对单光子探测的影响,同时还讨论了工作温度、直流偏置、门信号性质和计数阈值等系统参数之间相互制约的关系.     

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。     

基于双模式探测器的大动态范围激光测距EI北大核心CSCD

开发了一种基于双模式探测的大动态范围激光测距方法.使用基于硅雪崩光电二极管（APD）的单个探测器在线性模式与盖革模式之间切换,实现了平均光子数为1~105的大动态强度范围光信号探测.在此基础上,进行了30m的室内线性探测模式测距和500m的室外盖革探测模式测距实验,利用时间相关单光子计数设备记录的信号详细分析了两种模式测距的时间特性,证明了这种方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换,从而实现大动态范围激光测距.并且进一步分析了APD偏置电压的调节对测距系统测量精度以及探测背景噪声的影响.     

基于双模式探测器的大动态范围激光测距

开发了一种基于双模式探测的大动态范围激光测距方法.使用基于硅雪崩光电二极管(APD)的单个探测器在线性模式与盖革模式之间切换,实现了平均光子数为1~105的大动态强度范围光信号探测.在此基础上,进行了30m的室内线性探测模式测距和500m的室外盖革探测模式测距实验,利用时间相关单光子计数设备记录的信号详细分析了两种模式测距的时间特性,证明了这种方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换,从而实现大动态范围激光测距.并且进一步分析了APD偏置电压的调节对测距系统测量精度以及探测背景噪声的影响.     

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。     

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。     

红外InGaAs/InP单光子探测器暗计数的研究

在开发探测器灵敏度极限实现单光子探测时,暗计数是影响探测效率的主要原因.本文分析了在红外波段采用InGaAs/InP雪崩光电二极管工作于雪崩击穿电压之上(盖革模式),进行单光子探测时暗计数的三个主要来源,指出隧穿效应对暗计数的贡献是很小的,并且针对热噪声和后脉冲分析了减小暗计数的有效方法.     

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.     

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.     

Single-photon time response of reach-through APD

Time response of avalanche photodiode (APD) is very important in photon counting systems, and there are many models for circuit simulation. But these studies generally based on the carrier rate equations of steady-state condition, disagree with the single-photon-indicate condition. In this paper, a time response function based on an integration of APD’s sub-domain carriers for reach-through APD arising from a single photo-carrier is derived. The analytical results are shown to be in good accord with experimental results.     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

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.     

Ultrahigh-sensitivity high-linearity photodetection system using a low-gain avalanche photodiode with an ultralow-noise readout circuit

A highly sensitive photodetection system with a detection limit of 1 photon/s was developed. This system uses a commercially available 200-microm-diameter silicon avalanche photodiode (APD) and an in-house-developed ultralow-noise readout circuit, which are both cooled to 77 K. When the APD operates at a low gain of approximately 10, it has a high-linearity response to the number of incident photons and a low excess noise factor. The APD also has a high quantum efficiency and a dark current of less than 1 e/s at 77 K. This photodetection system will shorten measurement time and permit higher spatial and wavelength resolution for near-field scanning optical microscopes.     

3D photon counting imaging at 1550 nm with 1.5-GHz sine-wave-gated InGaAs/InP GAPD

We demonstrated a 3D laser imaging system at 1550 nm with a 1.5-GHz sine-wave gated Geiger-mode InGaAs/InP avalanche photodiode (APD). An optical fiber bundle with 100 individual fiber outputs was implemented at the focal plane of the telescope, providing a 2.5-mrad imaging view. The system used single-pixel near-infrared single-photon detector to measure photons at fiber outputs instead of a photon counting array. The 1.5-GHz gated Geiger-mode InGaAs/InP APD with a timing jitter of 290 ps was operated in quasi-continuous mode with detection efficiency of ∼4.3%. We achieved higher than 6-cm surface-to-surface resolution at single-photon level, showing a potential of low-energy and eye-safe laser imaging system for long-distance measurements.     

Enhanced solar-blind ultraviolet single-photon detection with a Geiger-mode silicon avalanche photodiode

Solar-blind ultraviolet detection is of great importance in astronomy and industrial and military applications.Here, we report enhanced solar-blind ultraviolet single-photon detection by a normal silicon avalanche photodiode(Si APD) single-photon detector with a specially designed photon-collecting device. By re-focusing the reflected photon from the Si chip surface on the detection area by the aluminum-coated hemisphere, the detection efficiency of the Si APD at 280 nm can be improved to 4.62%. This system has the potential for high-efficiency photon detection in the solar-blind ultraviolet regime with low noise.     

光子计数成像研究

从APD阵列的响应特性出发,利用随机点的统计学描述,建立了光子计数成像的一维点过程数学模型。通过对光子事件发生时间统计特性的描述,分析了光子密度、门控时间、雪崩光电二极管恢复时间等因素对光子计数成像质量的影响。并采用蒙特卡罗方法,对近红外波段不同光子密度条件下多种计数间隔的成像质量进行了仿真,给出了仿真结果。     

APD探测器模块性能及噪声检测

为了实现可见光通信系统的探测器模块微小型化,设计并制作了一款50 cm3的温控APD探测器模块,并对模块的稳定性、温控效果和噪声特性进行了检测。结果表明,APD探测器模块的光电流测量平均相对偏差为0.795%;APD探测器的雪崩增益和响应度随着温度的降低而提高;APD探测器电阻的变化影响负载电阻分压,使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值,且会随着入射光功率的增大而增大。可以得出结论:提高反向偏置电压与降低温控温度相配合,更有利于弱光信号检测;检测电路中的负载电阻影响APD探测器噪声特性。