單光子探測(cè)器后脈沖概率的測(cè)量開題分析方案

1、山西大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)）開題報(bào)告姓名張永信學(xué)號(hào) 2004274062 所在專業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)論文設(shè)計(jì)）題目單光子探測(cè)器后脈沖概率測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果的理論分析選題的目的和意義：近年來，隨著量子信息學(xué)科的發(fā)展，單光子探測(cè)器SPCM）在量子保密通訊1-3、分子熒光壽命測(cè)量4,5、單光子源制備6-8等弱光探測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)測(cè)量方法，單光子探測(cè)器對(duì)于工作電壓及環(huán)境溫度的微小變化的變化不敏感，具后更高的穩(wěn)定性和信噪比。但是單光子探測(cè)器在沒有光子入射時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的計(jì)數(shù)，嚴(yán)重影響著其在光子計(jì)數(shù)測(cè)量，尤箕是量子保密通訊中的應(yīng)用。噪聲主要有兩類：一類是由于熱噪聲和隧穿效應(yīng)引

2、起的暗計(jì)數(shù)；另一類是由于俘獲載流子的再釋放引起的后脈沖。暗計(jì)數(shù)率基本上與入射光強(qiáng)無關(guān)，而后脈沖的強(qiáng)度則隨著入射光強(qiáng)的增大而增大。在計(jì)數(shù)率相對(duì)較大的實(shí)驗(yàn)中，如量子保密通訊中，暗計(jì)數(shù)對(duì)于測(cè)量的影響變得很微弱，如何減小后脈沖的影響就變得尤其重要。通常采用的方法為門控模式測(cè)量，即在光子到達(dá)的時(shí)才使單光子探測(cè)器的工作電壓高于雪崩電壓。為了設(shè)置合適的門控脈沖寬度，勢(shì)必要求我們對(duì)于后脈沖的強(qiáng)度及時(shí)域分布進(jìn)行深入了解。隨著量子信息學(xué)科的發(fā)展，單光子探測(cè)器的噪聲主要有兩類：一類是由于熱噪聲和隧穿效應(yīng)引起的暗計(jì)數(shù)；另一類是由于俘獲載流子的再釋放引起的后脈沖。暗計(jì)數(shù)率基本上與入射光強(qiáng)無關(guān)，而后脈沖的強(qiáng)度則隨著入射光

3、強(qiáng)的增大而增大。在計(jì)數(shù)率相對(duì)較大的實(shí)驗(yàn)中，如量子保密通訊中，暗計(jì)數(shù)對(duì)于測(cè)量的影響變得很微弱，如何減小后脈沖的影響就變得尤其重要。通常采用的方法為門控模式測(cè)量，即在光子到達(dá)的時(shí)才使單光子探測(cè)器的工作電壓高于雪崩電壓。為了設(shè)置合適的門控脈沖寬度，勢(shì)必要求我們對(duì)于后脈沖的強(qiáng)度及時(shí)域分布進(jìn)行深入了解。后脈沖現(xiàn)象是導(dǎo)致單光子探測(cè)噪聲的主要來源之一。在雪崩發(fā)生時(shí)，雪崩倍增區(qū)中的任何缺陷都有可能成為載流子的俘獲中心。當(dāng)有光子入射單光子探測(cè)器時(shí)，大量的電荷流過探測(cè)器的雪崩倍增區(qū)，一些載流子被這些缺陷俘獲。當(dāng)雪崩被抑制后，這些從缺陷中心釋放出的載流子受到電場(chǎng)加速，它們會(huì)再次觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生與前一次雪崩脈沖相關(guān)聯(lián)的

4、后脈沖，在沒有光子到達(dá)時(shí)會(huì)引起一次誤計(jì)數(shù)。單光子探測(cè)器的后脈沖概率可以表示為不向俘獲能級(jí)概率的累加。使用時(shí)間關(guān)聯(lián)單光子計(jì)數(shù)測(cè)量后脈沖，常用的方法是將單光子探測(cè)器輸出的 TTL 脈沖同時(shí)連接到時(shí)1nr?幅轉(zhuǎn)化儀的開始端和停止端，停止端信號(hào)相對(duì)于開始端信號(hào)的時(shí)間間隔通過 TAC 轉(zhuǎn)化成與之成正比的脈沖幅度。不同幅度的電脈沖信號(hào)輸入多通道分析儀Multichannelanalyzer,MCA）進(jìn)行脈沖高度統(tǒng)計(jì)分析，得到脈沖光的自關(guān)聯(lián)函數(shù)。在脈沖激光源強(qiáng)度穩(wěn)定的情況下，使用這種開始-停止技術(shù)得到的自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線就反映了探測(cè)器的后脈沖概率分布。Li0 下圖一實(shí)驗(yàn)裝置圖0pticalshielded-SP

5、CM2具體的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1 所示。脈沖半導(dǎo)體械毋 FPicoQuant,PDL800）發(fā)出的光脈沖經(jīng)過可調(diào)光衰減片衰減至每一脈沖的平均光子數(shù)為 0.125 后，通過透鏡聚焦，進(jìn)入單光子計(jì)數(shù)模塊PerkinElmer,SPCM-AQR-15,SPCM1）。SPCM1 輸出的電脈沖使用兩根相同長(zhǎng)度的電纜分別連接到 TACOrtec,Model567）的開始端和停止端。經(jīng)時(shí)幅轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的不同幅度的電脈沖輸入 MCAOrtec,Trump-Pci-2k）進(jìn)行脈沖高度分析。統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果使用電腦采集和處理。實(shí)驗(yàn)中還使用了另一個(gè)相同型號(hào)的單光子探測(cè)器SPCM2）,將它的暗計(jì)數(shù)信號(hào)連接到 TAC 的停止端，替

6、換 SPCM1 的輸出信號(hào)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)探測(cè)器之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線，測(cè)量結(jié)果可用于分析暗計(jì)數(shù)對(duì)于自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線的影響。SPCM1 和SPCM2 置于光屏蔽裝置中，用于避免環(huán)境光對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。脈沖半導(dǎo)體脈沖激光器輸出光脈沖的頻率為 750kHz,脈沖寬度為 55ps,輸出激光的波長(zhǎng)為 635nm空氣中）。SPCM 的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為 4001000nm,對(duì)于 635nm 的光其光子探測(cè)效率約為 70%,探頭有效直徑為 0.17mm,死時(shí)間為 50ns,平均暗計(jì)數(shù)率為 47Hz,輸出 TTL 電脈沖寬度為 30ns,允許的最大計(jì)數(shù)值為 15MHz。SPCM1和 SPCM2 通過熱電致冷而保證很低的暗

7、計(jì)數(shù)率，通過溫度控制而避免環(huán)境溫度變化對(duì)于探測(cè)器增益的影響。TAC 的可測(cè)量時(shí)間范圍為 10ns2ms。TAC 輸出的電脈沖信號(hào)幅度為 070V。使用兩根相同長(zhǎng)度的電纜將探測(cè)器的輸出信號(hào)連接到 TAC,保證了自相關(guān)函數(shù)曲線測(cè)量中 TAC 的開始端和停止端的同步，避免了自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線的平移修正。TAC 允許的最小輸出脈沖為 0.05V,因此與開始端 TTL 脈沖的時(shí)間間隔小于 5%oTAC 量程內(nèi)到來的停止端 TTL 信號(hào)將無法引起 TAC 的響應(yīng)，這段時(shí)間又稱為 TAC 的死時(shí)間。受 TAC 死時(shí)間的影響，當(dāng)一個(gè) TTL 脈沖觸發(fā) TAC 的開始端后，它將不可能再同時(shí)觸發(fā) TAC 的停止端，只

8、有與其相鄰的下一個(gè)脈沖才可能觸發(fā) TAC 的停止端。TAC 輸出的脈沖反映了單光子探測(cè)器相鄰兩輸出脈沖的時(shí)間間隔。MCA 的最大分辨率為 2048 通道，死時(shí)間為 8 肉。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的脈沖激光的自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線以及相應(yīng)的暗計(jì)數(shù)的測(cè)量如圖 2 所示。TAC 的量程為 2 肉，MCA 的分辨率為 2048 通道，相應(yīng)的采樣時(shí)間為 1.04ns。圖二a）顯示的是脈沖激光的自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線；b）顯示的是相同采樣時(shí)間得到的脈沖激光與探測(cè)器暗計(jì)數(shù)的關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線。t=0 的時(shí)刻對(duì)應(yīng)于前一雪崩脈沖的位置。,3nsFWHM2/6-20nsFW(10-4)M0k1k001011nTcnMFnwrmp&Focn

9、ruafo0k1k001011nTcnMFnwrmp&Focnruafo100m圖二脈沖激光的自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線以及相應(yīng)的暗計(jì)數(shù)由圖二a）可知，自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線在前一雪崩脈沖后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)為 0。這段零計(jì)數(shù)時(shí)間大于 TAC 的死時(shí)間，因此它受到的是 SPCM 死時(shí)間的影響。在 SPCM 死時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器的工作電壓低于雪崩電壓，不可能產(chǎn)生后脈沖及暗計(jì)數(shù)。從圖中可以很容易的得到單光子探測(cè)器的死時(shí)間約為 50ns。在死時(shí)間結(jié)束后，自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線上出現(xiàn)了一個(gè)很尖銳的峰A 峰）。A 峰持續(xù)很短時(shí)間約 3ns）后，曲線開始緩慢的下降。圖像表明，單光子探測(cè)器在死時(shí)間結(jié)束后的 3ns 時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放

10、出大量的后脈沖。在 t1200ns 后，自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線已基本接近暗計(jì)數(shù)曲線圖二 b）,后脈沖出現(xiàn)的概率已經(jīng)遠(yuǎn)小于 SPCM 的暗計(jì)數(shù)率，暗計(jì)數(shù)成為光子計(jì)數(shù)測(cè)量中的主要噪聲。后脈沖主要存在于探測(cè)器死時(shí)間后幾百納秒的時(shí)間內(nèi)。為了減小后脈沖對(duì)于光子測(cè)量的影響，必須選擇盡可能窄的同步門控信號(hào)。自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線在 t=1340ns 的地方出現(xiàn)了曲線的最高峰1400ns 的地方，仍然會(huì)測(cè)量到后脈沖或暗計(jì)數(shù)事件，這是由于脈沖光的平均光子數(shù)遠(yuǎn)小于 1,后脈沖或暗計(jì)數(shù)仍然有可能觸發(fā)TAC 的停止事件。依據(jù) B 峰的面積以及入射到探測(cè)器的平均光子數(shù)，可以對(duì)自關(guān)聯(lián)函數(shù)曲線進(jìn)行歸一化處理，得到的概率曲線即為單個(gè)雪崩脈沖

11、引起后脈沖的概率，結(jié)果如圖三所示圖三后脈沖概率曲線及擬合曲線Fig.3Probabilitycurveofafterpulseandcorrespondingfittingcurve圖三中使用“+”標(biāo)記的為經(jīng)過歸一化處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線是利用公式.23832.陳成杰，徐正卜.光電倍增管M.北京：原子能出版社.19873. S.Cova,M.Ghioni,A.Lacaita,C.Samori,andF.Zappa.AvalanchePhotodiodesandQuenchingCircuitsforSingle-photonDetection.1996.APPL.OPT.35.1956.4.

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13、rsover13km:towardssatellite-basedglobalquantumcommunication,Phys.Rev.Lett.,Vol.94,No.15,150541(2005yD8PpepyD8PpepFA-510-0500750Time(ns)100012502506 610106. RobertG.w.Brown,et.al.C CharacterizationofSiliconAvalanchePhotodiodesforPhotonCorrelationMeasurements.1:Passivequenching.1986.APPL.PT.25.41227.

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