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.     

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。     

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.     

高光电探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于0.18μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P~+/N阱结构,P~+层深度较深,以提高对长光波的光子探测效率与响应度;采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度,可以提高探测灵敏度;深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底,降低衬底噪声;采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数,并对器件性能进行优化设计.实验结果表明,单光子雪崩二极管的窗口直径为10μm,器件的反向击穿电压为18.4V左右.用光强为0.001 W/cm~2的光照射,650nm处达到0.495A/W的响应度峰值;在2V的过偏压下,650~950nm波段范围内光子探测效率均高于30%,随着反向偏压的适当增大,探测效率有所提升.     

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现,当深扩散深度为2.3μm固定值时,浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深,相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大,电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时,会发生倍增区外的非理想击穿,导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大,倍增区中心部分雪崩击穿概率越大,而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下,浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响,但深扩散Zn掺杂浓度越高,相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。     

半导体单光子雪崩光电二极管的封装发展

半导体单光子雪崩二极管可实现微弱信号的探测,在量子通讯、激光雷达和大气探测等领域具有重要应用。虽然半导体单光子雪崩二极管的性能主要取决于探测芯片设计、流片工艺和外围匹配电路的设计,但后续的封装技术对其探测性能也有重要的影响。聚焦多年来半导体单光子雪崩二极管的封装发展,简要介绍了相应封装形式和技术,以及封装对于雪崩二极管性能的影响,最后对半导体单光子雪崩二极管的封装发展前景做出了展望。     

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。     

近红外单光子探测器

该单光子探测器在实验中使用半导体制冷器制冷，雪崩二极管工作于盖革模式下，使用交流耦合方式提供门脉冲信号，通过延迟补偿和采样门控消除尖脉冲干扰，采用反馈门控减小后脉冲影响，优化电路参数减小暗计数.经实验测试与分析，温度在-62.5℃，门脉冲宽度为50ns，采样门控为10ns的条件下，最佳工作点的暗计数率小于4×10^-6ns^-1，量子效率约18%，噪声等效功率为2.4×10^-19W/Hz^1/2.     

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.     

一种改进型单光子雪崩二极管探测概率模型及验证

基于半导体工艺器件仿真软件和Matlab编程,对光子探测概率（PDP）进行了建模和实验表征。进一步考虑器件表面二氧化硅薄膜的光透射性,可以准确预测单光子雪崩二极管（SPAD）的性能。将模拟结果与采用0.18μm标准双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体（BCD）工艺设计和加工的SPAD的结果进行比较。结果显示,PDP的预测结果与实验结果之间具有良好的一致性,平均误差为1.72%。该模型可以减少商用器件仿真软件中存在的不收敛问题,极大减少了开发SPAD器件新结构所需的时间和成本。     

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。     

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。     

InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式

针对InGaAs单光子雪崩光电二极管(SPAD)的光电感应特性,研究了基于门控主动式淬灭的SPAD动态偏置控制和电路实现的策略.采用门控主动淬灭控制可降低淬灭时间,有效抑制暗计数和后脉冲效应.接口感应检测电路采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行制造,而SPAD则采用非标准CMOS工艺.利用铟柱互连混合封装工艺实现SPAD与感应接口电路的协同工作.在低温-30?C的条件下,实现了SPAD光触发雪崩电流信号的提取和快速淬灭.研究了感应电阻和临界检测电压对传感检测电性能的影响,并采用简单电路结构实现状态检测,实测得到的SPAD恢复时间、传输延时分别为575,563 ps,淬灭时间为1.88 ns,满足纳秒级精度传感检测应用的需要.     

Bias-dependent timing jitter of 1-GHz sinusoidally gated InGaAs/InP avalanche photodiode

We characterized the dependence of the timing jitter of an InGaAs/InP single-photon avalanche diode on the excess bias voltage(V_(ex)) when operated in 1-GHz sinusoidally gated mode.The single-photon avalanche diode was cooled to-30 degrees Celsius.When the V_(ex) is too low(0.2 V-0.8 V) or too high(3 V-4.2 V),the timing jitter is increased with the V_(ex),particularly at high V_(ex).While at middle V_(ex)(1 V-2.8 V),the timing jitter is reduced.Measurements of the timing jitter of the same avalanche diode with pulsed gating show that this effect is likely related to the increase of both the amplitude of the V_(ex) and the width of the gate-on time.For the 1-GHz sinusoidally gated detector,the best jitter of 93 ps is achieved with a photon detection efficiency of 21.4%and a dark count rate of ~2.08×10~(-5) per gate at the V_(ex) of 2.8 V.To evaluate the whole performance of the detector,we calculated the noise equivalent power(NEP) and the afterpulse probability(P_(ap)).It is found that both NEP and P_(ap) increase quickly when the V_(ex) is above 2.8 V.At ~2.8-V V_(ex),the NEP and P_(ap) are ~2.06×10~(16)W/Hz~(1/2) and 7.11%,respectively.Therefore,the detector should be operated with V_(ex) of 2.8 V to exploit the fast time response,low NEP and low P_(ap).     

超导纳米线单光子探测器动态电感研究

单光子探测是一种量子极限光信号的检测技术,超导纳米线单光子探测器(Superconducting NanowireSingle-Photon Detector,SNSPD)作为一种新型的单光子探测技术,在量子通信等众多领域有着广阔的应用前景。SNSPD的动态电感直接决定了SNSPD的工作速度。文中对SNSPD动态电感的特性和测试方法做了详细的研究,成功实现了低温下SNSPD动态电感的测试,并对结果进行了分析处理和研究。利用BCS理论对动态电感随温度、偏置电流变化的特性进行分析计算,并与实际测量结果对比讨论,为未来如何降低SNSPD动态电感、提高其性能的研究工作提供了参考依据。     

基于光电二极管探测器的闪电光辐射信号观测

利用硅光电二极管探测器,对2008年夏季广东省从化地区和北京昌平地区的自然闪电光辐射信号进行了观测研究,并对获得的312个观测数据进行了统计。得到如下结果：光辐射脉冲峰值为［10.97(5.55)±12.46］ mW/cm2,10%~90%光脉冲前沿为［1.14(0.44)±2.02］ ms,50%~50%光脉冲宽为［1.44(0.49)±2.07］ ms,一次闪电包含的光脉冲数为［3.78(3.00)±2.30］个;将统计结果与FORTE卫星上的硅光电二极管载荷的探测结果进行了对比,光脉冲峰值要大1~2个量级,脉冲宽度要小,符合对闪电光辐射信号传播的物理过程分析。     

Quick single-photon detector with many avalanche photo diodes working on the time division

Due to the limit of response speed of the present single-photon detector, the code rate is still too low to come into practical use for the present quantum key distribution (QKD) system.A new idea is put up to design a quick single-photon detector.This quick single-photon detector is composed of a multi-port optic-fiber splitter and many avalanche photo diodes (APDs).Au of the ports with APDs work on the time division and cooperate with a logic discriminating and deciding unit driven by the clock signal.The operation frequency lies on the number N of ports, and can reach N times of the conventional single-photon detector.The single-photon prompt detection can come true for high repetition-rate pulses.The applying of this detector will largely raise the code rate of the QKD, and boost the commercial use.     

Performance of superconducting nanowire single-photon detector with the fan coupling antenna array

The performance of superconducting nanowire single-photon detector （SNSPD） involving niobium nitride with the fan coupling antenna array is analyzed. The SNSPD has a high detection efficiency and counting rate. Hydrogen silsesquioxane and niobium nitride are filled in the gold grating deposited on the substrate in which the fan coupling antenna arrays are embedded. By changing the position of the fan coupling antenna array, the maximum area of optical intensity is obtained and the photon collection efficiency is increased by 26.5 times. The detection efficiency of SNSPD is improved without changing the detection speed. These parameters are important for designing a practical single-photon detector,