單光子探測器技術(shù)原理

單光子探測器技術(shù)原理簡介1.工作原理單光子探測器是一種對微弱光信號進行探測的設(shè)備，輸入光強度最低可到單光子水平。以通信最常用的1550nm和1310nm光波長為例，單個光子的能量分別為1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，這意味著輸入信號能量極其微弱，必須使用特殊的光子檢測器件探測輸入光子脈沖事件。不同種類的雪崩管服務(wù)于不同的探測應(yīng)用目的，例如基于Si的雪崩管適用于可見光波段檢測，InGaAs或InP的雪崩管更適合近紅外波段。三種常見的SiAPD半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100200呻厚結(jié)工藝10-100pmF< Ashallownn-H-isolation薄結(jié)工藝標(biāo)準(zhǔn)100200呻厚結(jié)工藝10-100pmF< Ashallownn-H-isolation薄結(jié)工藝標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝常見的SACM型InGaAs/InPAPD的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)p-canuctrnetaliiEMojiSIp-canuctrnetaliiEMojiSIN,passiugtionn*-lnP軋怡酣配質(zhì)兩種典型的SiAPD器件探測效率一波長曲線兩種典型的SiAPD器件探測效率一波長曲線單光子探測器的工作原理是利用工作于蓋革模式( GeigerMode)下的InGaAs/InP雪崩光電二極管(APD)進行單光子探測。所謂蓋革模式是指APD工作時要加反向偏壓，偏壓幅度略微超過雪崩閾值電壓，蓋革模式與線性模式的區(qū)別在于能夠?qū)⑽⑷豕馍d流子放大產(chǎn)生宏觀電流。根據(jù)對APD施加偏壓的波形，將探測器分為門控工作模式和自由運行模式兩類。光子入射到APD內(nèi)部引發(fā)雪崩，產(chǎn)生微弱雪崩電流脈沖。探測器內(nèi)部處理電路采用跨導(dǎo)放大器將微弱電流脈沖轉(zhuǎn)換成電壓脈沖并放大、整形，再經(jīng)過甄別、死時間處理后輸出電平、寬度固定的數(shù)字脈沖，探測器有脈沖輸出表示檢測到了輸入單光子或微弱光脈沖，而脈沖前沿位置代表光子輸入時刻。光子輸入事件及其發(fā)生事件正是量子信息、單光子雷達(dá)等應(yīng)用關(guān)注的最重要內(nèi)容，單位時間內(nèi)計數(shù)值則反映了輸入光強度。入射光子引發(fā)雪崩發(fā)生后，必須盡快將雪崩淬滅，一方面避免雪崩管過度放電，更重要的是將雪崩管恢復(fù)到可用狀態(tài)，能夠及時檢測下一個入射光子事件。根據(jù)淬滅方式的不同，將探測器分為主動淬滅和被動淬滅兩類。

量子通信主流技術(shù)是基于通信光纖的方案，與常規(guī)通信一樣遠(yuǎn)距離傳輸必然使用單模光纖，例如電信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)廣泛應(yīng)用的G.652單模光纖。選定了信道自然就要選擇最合適該信道的光波長，就要選擇相應(yīng)的發(fā)光、光學(xué)處理和檢測器件。100 L~1Ti, | ' [ 1 ]r50-0^M)L2Li L8』/|ATn上圖是單模石英光纖的損耗譜，在O波段1310nm和C波段1550nm附件出現(xiàn)明顯的低損耗窗口，所以通信工程中最常使用這兩個波長。對于我們使用的G.652光纖而言，1550nm處損耗最?。ㄐ∮?.2dB/km），所以這段波長被選中作為量子信道的中心波長，各個量子信道根據(jù)DWDM間隔依次在兩側(cè)排列。理想的單光子探測器應(yīng)當(dāng)具有下面表格中左側(cè)所列出的特性，而實際使用化、工程化探測器產(chǎn)品距離這個目標(biāo)還存在很大差距，理想單光子探測器實際單光子探測器■探測器的光譜響應(yīng)足夠?qū)挘弧鎏綔y器系統(tǒng)探測效率趨近于100%；■探測器噪聲趨近于0；■探測器錯誤趨近于0；■實際探測器工作在近紅外、近可見光波段■根據(jù)波長的不同選擇不同的光子探測器件以及處理電路，不存在通用的單光子探測器■探測器的時間分辨足夠細(xì)；■探測器的計數(shù)率足夠高；■實際探測效率為近紅外波段10%，可見光波段70%■探測器功耗、尺寸、成本足夠低；■探測器對環(huán)境不敏感，對工作條件要求低；■實際探測器存在無法消除的暗計數(shù)雪崩、電子學(xué)噪聲■實際探測器信號檢測過程中不可避免地出現(xiàn)后脈沖等錯誤計數(shù)■實際探測器時間分辨受門控時間、淬滅時間限制，不能無限縮小■實際探測器的計數(shù)率受死時間