雪崩光敏二极管,单光子探测

AvalanchePhotodiodes&Single-PhotonDetectionTableofContentsPMTandAPDIntroduction1SinglePhotonDetection2QuenchingCircuits3Conclusion4单光子探测背景知识PhotonDetectionintroduce光具有波动性和粒子性，根据光的粒子性，光是由大量的光子组成的，光子的能量由光的频率决定。上面的想像图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景，干涉仪的输出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形，表示的是单光子干涉，是一种波动现象，而在图片近处，观察不到振荡，说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间，单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变，图中显示了这两种状态的重叠。PhotonDetectionintroduce可见光波段的单个光子的能量特别低，如波长为630nm的单色光，单个光子的能量为3.16*10-19J，由于单个光子能量很低，为了能够探测到低能量的光子信号，需要特殊的光电检测器件--单光子探测器。其中，光子检测的核心器件主要有两种：光电倍增管和雪崩光电二极管。光电倍增管雪崩光敏二极管PhotonDetectionintroducePhotoncountingintroduction光电倍增管简介PhotomultiplierTube光电倍增管由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！PhotomultiplierTube优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快，噪声小缺点：结构复杂，工作电压高，体积庞大PhotomultiplierTube窗口材料a.硼硅玻璃（无钾玻璃）常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，不适合于紫外区的探测。b.合成石英：紫外光波长延伸至160nmc.蓝宝石：紫外光波长延伸至150nmd.氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm光电倍增管的接收光信号方式有侧窗式和端窗式两种布局。如左图所示PhotomultiplierTube(b)输入光较弱时PMT输出光电流不再是连续的。(c)输入光极弱时PMT输出离散的脉冲。(a)输入光较强时PMT输出有涨落的直流量。雪崩光敏二极管简介AvalanchePhotodiodesAvalanchePhotodiodesOperatingPrincipleAvalanchePhotodiodesAvalanchePhotodiodesConnectionexampleAvalanchePhotodiodesBlockDiagramAvalanchePhotodiodesAnalogoutputwhenusinganamplifierAvalanchePhotodiodessimulateddiagramAvalanchePhotodiodesExampleofmeasuringverylowlevellightExampleofmeasuringverylowlevellightVerticalaxis:NumberofinputcountspergatetimesettingHoriziontalaxis:Time(1secondperscaledivision)单光子探测技术SPAD单光子检测中，通常以光电倍增管和雪崩光敏二极管作为代表性的单光子检测器件。光电倍增管由于具有极高的灵敏度，较低的噪声和快速响应的特性，过去一直是单光子探测的首选器件，而现在由于更多的实际应用，半导体类单光子探测器件收到广泛的关注，其中最常见的是雪崩光电二极管。实现单光子检测的基本要求：一是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度二是背景噪声要尽可能少SPADAPD是借助强电场作用使结型半导体产生载流子雪崩倍增效应即内增益的一种高灵敏光电器件，根据不同的光谱响应由不同的构成材料工艺完成。光电倍增管对可见光有较高的增益，但是在红外和近红外通讯波段范围内，其较低的量子效率限制了再该波长的应用，取而代之的是基于半导体工艺的雪崩光电二极管。APD在红外通讯波段量子效率高、功耗低、体积小、工作频谱范围大、工作电压低等有点使基于APD的单光子探测技术得到了迅猛的发展。根据材料的不同,适用的光子波长范围也不尽相同其中应用铟砷化镓作材料的APD在近红外波段检测就有很大的优势。雪崩效应在雪崩光电二极管的PN结上施加一个非常高的反向偏压,使结区产生很强的电场,当光照射pn结时所激发的光生载流子进入结区后,在强电场中会受到加速而获得足够的动能,在高速运动中与晶格发生碰撞,使晶格中的原子发生电离,产生新的电子空穴对,这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对。新产生的电子空穴对在强电场下又被加速,获得足够能量,再次与晶格碰撞,产生出新的电子空穴对,这个过程不断往复,使PN结内载流子迅速增加,电流也随之急剧增多,这种现象称为雪崩效应。雪崩二极管就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器SPAD在实际应用中，为了提高APD的增益，一般APD都工作在盖革模式(Geigermode)下，即反向偏置电压高于雪崩电压的工作方式。在此期间，如果APD长时间处于饱和状态，会严重损伤其寿命，为了探测到下一个光子信号，必须将偏置电压降低到雪崩电压以下，使得APD恢复到初始状态。基于这种原理，必须有相应的外围电路来实现该过程。解决这个问题的外围电路主要有三种：无源淬灭电路，有源淬灭电路和门模控制电路其中在计数率要求不高的情况下采用无源抑制,在量子通信等计数率要求高的实验中需采用有源抑制.QuenchingCircuits无源淬灭电路QuenchingCircuits如下图所示：无源熄灭电路是由一个大电阻R1与APD简单串联构成,单光子产生的雪崩电脉冲信号从一个50欧姆阻抗Rs上引出.它的等效电路图在右边.APD可以看作一个理想的光控开关K与一个电压源Vb的串联构成,有光子入射时K闭合,而Vb就是APD的雪崩电压值.图中还画出APD等效内阻Rd和结电容Cd.我们还应注意到实际存在的分布电容Cg,它的值一般只有pF量级,但它在电路中却扮演着极为重要的角色！QuenchingCircuits单光子电脉冲信号的产生分为三个阶段：等待就绪阶段，雪崩阶段和恢复阶段这是探测器大部分时间所处的状态,此时没有光子到达,在Cg及APD上加一负偏置电压Vp.实际加在APD上的工作电压Vd比雪崩电压Vb高2V左右,Rs上的电压为0V.等待就绪阶段QuenchingCircuits一个光子被处于就绪态的APD接收到时,APD两端的电压在几个fs的时间内降为比雪崩电压值低一些,电容Cg开始通过电阻Rs放电,Rs上产生一个脉冲信号.经过约RsCg的时间,Cg上的电压降到与APD两端的电压一致,流经APD的电流小于APD的熄灭阈值,雪崩停止.雪崩阶段QuenchingCircuits雪崩停止后,负偏压电源开始通过大电阻R1给APD和电容Cg充电,充电时间常量由CgR1给出.在恢复过程中,Rs上也会有一个充电信号,但是比雪崩信号要小2或3个量级.当恢复阶段结束后,电路回到了初始的等待就绪阶段.如果APD在恢复期间又有一个光子到达,也会有一个雪崩信号产生,但信号高度要小一些,这与前面的恢复时间有关,恢复的时间越充分,信号高度越大,后脉冲几率越小(所谓后脉冲是:雪崩过程中被结区杂质捕陷的载流子在光探测脉冲结束后被释放出来产生的非光子探测脉冲)恢复阶段QuenchingCircuits可以看出,APD单光子探测器的几个主要特性,如脉冲信号高度、信号脉宽RsCg以及死时间(恢复时间)CgR1,都与分布电容Cg有关.Cg越大,雪崩信号高度也越大,信号脉宽加宽,死时间加长,每秒钟能捕捉到的光子数就要减少。在实际应用中,Cg的选择是一个折中的问题.某些场合对探测器速度的要求不高而且没有好的前置放大器的话,可以有意识地加大电容Cg.有实验如果并上一200pF的电容,看到的雪崩脉冲宽度为100ns,脉冲高度在1V左右,但此时恢复时间变长,大约为10Ls量级,每秒最多能记录105个光子.在另外一些需要精确记录光子到达时间的场合,我们可以精心地设计电路板,最大限度地减少分布电容Cg.小结QuenchingCircuits有源淬灭电路QuenchingCircuits将无源抑制扩展为有源抑制,获得了更短的死时间、更小的暗计数和更高的计数率.有源抑制方式中APD产生电脉冲信号的过程与无源抑制相同,所不同的是在有源抑制电路中通过外围电路迅速抑制雪崩并将APD恢复到等待状态以使它能探测下一个光子,从而大大降低了死时间主动淬火电路是指在雪崩发生时,不是通过其自身增长的电流产生压降来淬灭,而是通过一个能够感应雪崩的模块产生一个电平反馈,主动切断电路工作状态,并在很短的时间之后重新启动电路QuenchingCircuits对单光子探测系统，噪声的主要表现方式主要体现在暗计数上，因为无论噪声电路的强弱，引起的宏观表现都是一次雪崩脉冲技术。暗计数是指在完全没有光照的情况下，产生的输出脉冲计数。产生暗计数的条件一般为暗载流子生成并成功触发雪崩。对SPAD探测系统来说，引起暗载流子的原因主要有三类：热噪声、遂穿电流和后脉冲效应。a.热噪声和隧穿电流主要取决于环境温度以及偏压和掺杂浓度b.后脉冲效应主要取决于材料SiSPAD工艺下，纯度可以达到很高，所以SiSPAD的后脉冲效应可以忽略不计InGaAs/InP材料的红外SPAD的后脉冲效应却很严重。为了降低后脉冲效应，需要减少电子渡越时间，即增加温度，或者采用门控调节模式。引起暗计数的另外一个重要条件是暗载流子成功触发雪崩，这取决于倍增去雪崩触发几率，一般过电压（反偏电压与雪崩电压的差值）越高，雪崩概率也越大。QuenchingCircuits淬火电路的死时间是指雪崩发生后，探测器无法响应入射光子即无法进行探测行为的总时间。它包括淬灭时间以及恢复时间两个部分。死时间越短，对探测越有利。主动淬火电路的死时间完全取决于电路器件固有延时以及设定的延时。低温下,要注意APD的雪崩电压会降低,相应地要小心选择工作电压死时间QuenchingCircuits门控式淬灭电路QuenchingCircuits门模控制是只有光子到达APD后，偏压才提高到雪崩电压之上，产生的雪崩持续时间一般为几个ns（相当于一个门打开），之后一段时间，偏压又低于雪崩电压（相当于一个门关闭）而终止雪崩，等待下一个光子在循环往复的探测。QuenchingCircuits如下图所示，是门控模式下进行单光子检测的原理图，采用带有尾纤（单模光纤）的InGaAs-APD作光电转换器件，中间采用TEC半导体制冷用来提高探测灵敏度和降低信号噪声。用半导体激光器作为光源，用可变光纤衰减器将波长1300nm或1550nm激光衰减成单光子水平。延时发生器一方面触发激光器产生短的光脉冲，另一方面触发电压发生器产生门脉冲（高约7V宽约2.6ns）而与光子达到APD同步，处于直流偏置下的APD通过放大、甄别等检测电路产生光电信号最后由光子计数器进行计数。QuenchingCircuitsQuenchingCircuitsQuenchingCircuitsa.APDBias:光敏二极管偏置电压其中Breakdown是雪崩电压值大小b.APDResponse:光敏二极管产生信号c.ashiftbyoneclock:将APDResponse信号延迟一个时钟周期d.num.Subtraction:b图信号与c图信号进行差分运算信