高速近红外1550nm单光子探测器[1].pdf

收稿日期：2011-06-22；修订日期：2011-07-19基金项目：国家自然科学青年科学基金(40804032)作者简介：杨皓(1984-)，男，博士生，主要从事光电探测方面的研究工作。Email:导师简介：孙志斌(1978-)，男，副研究员，博士，主要从事单光子探测与成像方面的研究工作。Email:高速近红外 1 550 nm 单光子探测器杨皓1,2，王超2，孙志斌2，王迪2，翟光杰2(1.中国船舰研究设计中心，湖北 武汉 430064；2.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190)摘要：高速近红外 1 550 nm 单光子探测器采用半导体制冷和热管风冷混合技术，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边沿锁存方式消除尖脉冲干扰，采用反馈门控减小后脉冲的影响。采用了 ECL(Emitter Couple Logic)与 TTL(Transistor-TransistorLogic)混合电子技术提高单光子探测系统的运行频率，其频率可大于 10 MHz；另外，通过对雪崩信号的放大来提高信号的动态范围，进一步优化探测器的性能。实验测试与分析表明，探测器在时钟频率10MHz、温度-62、门脉冲宽度 8ns 的条件下的最优性能参数为：量子探测效率 12.8%，暗计数率3.7610-6ns-1，噪声等效功率 8.6810-19W/Hz1/2。关键词：单光子探测；半导体制冷；雪崩二极管；盖革模式；门控中图分类号：O439；TP11文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)02-0325-05High speed single-photon detector at 1550 nm wavelengthYang Hao1,2,Wang Chao2,Sun Zhibin2,Wang Di2,Zhai Guangjie2(1.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China;2.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190，China)Abstract:A single photon detector operating in the Geiger mode was cooled to a moderate temperature byusing Peltier cooling and heat pipe technology,and a gate pulse signal was coupled to the avalanche diodeby a capacity.A moderate delay and edge trigger flip flop were used to avoid the positive and negativetransient pulses from influencing the detection of true photon avalanche,a dead time modulation feedbackcontrol circuit was used to decrease the after-pulsing,and the working frequency of the detector wasimproved by ECL(Emitter Couple Logic)and TTL(Transistor-Transistor Logic)technologies which wasgreatly larger than 10 MHz.In addition,the signal dynamic range was improved through amplifyingavalanche signal and the detector performance was further optimized.On the condition that the temperatureis-62,the minimum gate pulse width is 8 ns,and the clock frequency is 10 MHz,it is found that at theoptimum operation point the quantum efficiency is about 12.8%,the dark count rate is 3.7610-6ns-1andthe noise-equivalent power is 8.6810-19W/Hz1/2from the performance test and analysis.Key words:single-photon detection;semiconductor cooling;avalanche photodiode;geiger mode;gate control第41卷第2期红外与激光工程2012年2月Vol.41 No.2Infrared and Laser EngineeringFeb.2012红外与激光工程第41卷0引 言单光子探测是一种极弱光探测技术，在非破坏性物质成份精密分析，生物发光及放射探测，天文高能物理现象探测，激光雷达和光学制导，深空、自由空间及水下通信和量子保密通讯，可见光、红外及紫外单光子成像等领域有着广泛的应用1。自从1984年Bennett和Brassard提出第一个量子密码术方案并于1989年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后，世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮2。作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景。而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力3。目前应用于单光子探测器的光电转换器件主要有光电倍增管和雪崩二极管。光电倍增管对可见光和UV有较高的增益，从而得到了广泛的研究和应用，但在红外通讯波长范围内，其较低的量子效率限制了在该波长的应用，取而代之的是基于半导体工艺的雪崩光电二极管(APD)。APD在红外通讯波长量子效率高、功耗低、体积小、工作频谱范围大、工作电压低等优点使基于APD的单光子探测技术获得了迅猛的发展。在实际应用中，为了提高APD的增益，InGaAs-APD要工作在盖革模式下，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，为了探测下一个光子信号，必须将偏置电压降低到雪崩电压以下，使APD恢复到初始状态。基于这种机理，必须有相适应的外围驱动电路来实现该过程。目前有以下几种驱动方式：无源抑制、有源抑制、混合抑制和门控抑制。在上述驱动方式中，由于光子信号的到达时间是随机的，APD就要处于接受准备状态，即偏置电压大于雪崩电压，直到光子信号到达，这样就会损伤APD的寿命，同时也会使暗计数增加，这几种方式通常应用于连续单光子信号探测中。而在脉冲单光子信号探测中，门控模式以其低暗计数、APD寿命长、易于控制等优点而被广泛应用。文中采用半导体制冷和热管制冷的混合方式使APD工作在较低的温度，以提高量子探测效率和降低暗噪声；为了提高探测器的工作频率，其电子学部分采用射极耦合逻辑高速电路；通过合理延迟及边沿触发锁存消除APD的寄生电容效应在门控脉冲的上升沿与下降沿期间造成的尖脉冲对单光子雪崩信号甄别的影响；通过对雪崩信号的放大，进一步提高信号的动态范围，提高雪崩信号甄别、提取和计数的可靠性；采用反馈信号减小门控脉宽，减少雪崩发生后流过APD的电荷来达到减少后脉冲噪声。1实验设计1.1半导体和热管制冷在单光子探测过程中，暗计数是影响单光子探测性能的重要因素之一。暗计数是对APD的内部噪声源的一种反映，主要来源于热激发、隧道贯穿和掺杂缺陷处的势阱。热激发会使电子从满带跃迁到空带，同时会在满带中产生空穴，这些电子空穴经雪崩倍增后会产生伪计数，将这些伪计数计称之为暗计数，可以通过降低温度来减小它。隧道贯穿指吸收区载流子通过隧道效应进入倍增区，在高电场作用下可能触发雪崩信号，增加暗计数。降低温度也能相应降低雪崩电压，减小电场强度，降低暗计数。基于上述原理，根据参考文献4-5的报道：InGaAs-APD工作在180 220 K内的暗噪声较低。因此，需要将APD冷却到该温度内，在实验装置中采用半导体和热管混合技术来实现。探测器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400，其中，热敏电阻、半导体制冷器与APD采用紧凑密封方式封装，热敏电阻为负温度系数，典型 电 阻 值 为2.252 k，温 度 计 算 公 式 采 用Steinhart-Hart拉格朗日多项，即：1T=A+B*ln(R)+C*ln(R)3(1)式中：温度T采用开尔文单位；A=1.16710-3；B=2.382 410-4；C=1.022 210-7。图1示 出 内 置 半 导 体 制 冷 的 珀 尔 帖(J.C.A.Peltier)效应原理：由金属导体将N型和P型半导体串联起来组成半导体制冷器，当电流从N型半导体流向P型半导体时，在其接触端吸热，称为冷端，而在其分别与金属电极相接触的一端放热，称为热端。半导体制冷器的最大制冷温差由公式(2)决定：Tmax=12ZTc2(2)式中：Z为材料的优质系数，由材料性质决定；Tc为326第2期冷端温度。在热端处于常温时，最大的极限制冷温差为80。在实验中，如图2所示：将半导体制冷器的热端置于热管上，热管通过风冷进行散热。热敏电阻通过模拟数字转换器将其阻值转换为数字信号，控制器根据公式(1)计算出温度值，然后采用PID算法调节制冷电源的电压，使半导体制冷器的冷端温度降低到所设定的温度值，而其中热管中的风扇一直工作于最大散热状态，经过实验测量，冷却温度可以达到探测器所要求的-62。图1帕尔贴效应原理Fig.1 Principal of Peltier effect图2半导体制冷系统示意图Fig.2 Schematic diagram of thermal electrical refrigerator system1.2基于ECL电平的反馈式门控和延迟与边沿触发锁存捕获电路由于雪崩二极管中的掺杂缺陷处形成势阱，在雪崩信号期间，势阱捕获的载流子在后续时间内被释放出来，在下一个门脉冲信号到来时可能触发雪崩信号，由此产生的伪计数称之为后脉冲计数。被势阱捕获后的载流子被释放完需要几微秒(载流子的寿命)，在探测过程中将降低单光子探测器的探测速率6。P.C.M.Owen等6通过理论和实验阐明了潜藏电荷的数目与雪崩期间通过的电荷量成正比，被捕获后的载流子寿命与温度相关，温度越低，寿命越长。为了减小后脉冲产生的概率，需要在电路设计中尽量降低雪崩信号的幅值，减小雪崩信号的宽度。但是幅值过低的雪崩信号在鉴别时又会受到电噪声的影响，因此出现了最佳幅值高度范围，需要在电路设计中降低电噪声。为此，提出反馈式门控电路的设计原理，如图3所示。由可控门控发生器、异步死区时间调制器、脉宽调制器构成反馈式门控模式来有效减小雪崩信号的宽度。具体工作原理如下：触发信号经可控门发生器到所设定的宽度，经耦合电容耦合到APD，处于偏压下的APD在门脉冲信号期间捕获到外来的光子触发雪崩信号，比较器将雪崩信号与鉴别电压比较后输出一个鉴别信号，该信号的上升沿在采样门信号期间触发脉冲整形电路输出一个窄脉冲信号，异步死区时间调制器将窄脉冲信号的宽度调节到所设定的宽度，控制可控门控发生器迅速关闭门控信号，从而熄灭雪崩信号，这样就能有效地减少后脉冲。另外，雪崩二极管本身的结电容和寄生电容会在门脉冲信号的边沿处产生尖脉冲信号，影响雪崩信号的提取，瑞士的id Quantique研究小组提出了符合门的方法，避免了尖脉冲信号的干扰。该方法是在正向和反向尖脉冲信号期间将雪崩信号与一个门信图3探测器系统示意图Fig.3 Schematic diagram of detector system杨皓等：高 速近 红 外1 550 nm单 光 子 探 测 器327红外与激光工程第41卷图4雪崩信号甄别时序图Fig.4 Time sequence and waveform diagram of the activeedge quenching图5暗计数率、量子效率与增量偏压之间的关系Fig.5 Dark count and quantum efficiency relation with bias voltage号相与来提取雪崩信号。如果符合门太窄，将会丢失在尖脉冲信号期间的雪崩信号。为了避免正向尖脉冲的干扰，在延迟单元2中将时钟触发信号延迟了一个固定时间长度，即可控门控发生器、正向尖脉冲的半高宽、APD、高频放大器和比较器锁存器的延迟之和，经过所设计固定时间的延迟，采样门信号就能避开正向尖脉冲的干扰，而反向尖脉冲则不会影响雪崩信号的鉴别。该探测器电路系统在设计时采用射极耦合逻辑电路(ECL)方式提高了探测器的运行频率，然而实验室现有的信号源、计数器是TTL电平，在系统的前端和后端将ECL信号转换为TTL电平，限制了整个系统的高速运行，其最大运行系统时钟为12 MHz。而图3中的虚线部分电路系统由于采用ECL电平和高频放大器，运行速度可以大于30MHz。为了提高系统的可靠性及减小雪崩信号幅值随机性的干扰，对雪崩信号进行放大，提高了系统的动态范围，为更高速单光子探测器的设计奠定了基础。通过系统信号时序图(图4)对雪崩信号的提取过程进行详细说明。图中，A是系统运行时钟，其频率为10 MHz，经过延迟单元1的时间T2，大小为时钟信号通过激光器、脉冲光信号通过光纤、衰减器的延迟时间减去时钟信号通过可控门控发生器、耦合电容的延迟时间，以确保门控信号与光子同时到达；经过可控门控发生器产生的脉冲宽度为T3的脉冲信号通过耦合电容耦合到雪崩二极管，在单光子信号到来时，产生如信号E所示的雪崩信号，随后，雪崩信号通过高频放大器进行放大；而通过延迟单元2延迟T5时间后的信号F则作为使能信号输入比较锁存器，如果放大后雪崩信号大于鉴别电压，比较锁存器就在F的上升沿处形成标准的ECL脉冲信号输出，然后通过脉冲宽度调制器将脉冲宽度调到T1进行输出；此时产生的信号G反馈到异步死区时间调制器，将门控信号在随后的T4时间内关闭，降低雪崩信号产生的后脉冲计数。其中，门控信号的最小宽度为4 ns，幅值为3.3 V。在单光子探测过程中，为了减小电噪声干扰，将数字电路和模拟电路分开，按功能将系统分为偏置电压源、鉴别电压源、电源电路和雪崩信号提取电路模块，减少各模块在电路布线上的构成耦合回路，进一步提高探测器性能。2实验结果单光子探测器性能测试中所用的单光子源为衰减激光光脉冲式，激光器的中心波长为1550nm,光脉冲宽度约为20 ps，重复频率为10 MHz，通过对脉冲激光信号的衰减，使平均每脉冲光子数=0.1，单光子探测器PGA-400InGaAs雪崩二极管，然后将单光子信号直接输入到单光子探测器的尾纤。在工作温度-62 时，门脉冲宽度为8 ns。测试到的暗计数率和量子效率与增量偏压的关系如图5所示。再根据图6中的数据计算噪声等效功率，其数学表示如下：NEP=hv(2R)1/2(W/Hz1/2)(3)式中：普朗克常数h=6.62610-34(Js)；v为光的频率；328第2期R为暗记数率，为量子效率。由此获得如图6所示的噪声等效功率与增量偏压之间的关系。图6噪声等效功率与增量偏压之间的关系Fig.6 NEP relation with bias voltage从图5中可以看出，随着增量电压的增加，暗计数率和量子效率都在增加，在2.53 V之间，量子效率的增加幅度超过了暗计数率，再继续增加增量电压，暗计数率的增长幅度明显超过量子效率且呈非线性增长，而量子效率的增长趋于平缓，为保护雪崩管，增量电压没有继续增加。从图6中可以看出，随着增量电压的增加，噪声等效功率逐渐下降，直到2.82.9V时降到低谷，然后又缓慢上升。从上述实验数据可以得到探测器在时钟频率为10 MHz、温度为-62、门脉冲宽度为8ns条件的最优性能参数如下：量子探测效率为12.8%，暗计数率为3.7610-6ns-1，噪声等效功率为8.6810-19W/Hz1/2。3结论高速近红外1 550 nm单光子探测器在实验设计中主要采用了半导体和热管制冷技术相结合的方法为雪崩二极管提供最佳工作温度；电路上采用雪崩二极管的盖革运行模式，通过交流耦合为偏置的雪崩二极管提供门脉冲信号，由于雪崩二极管内部电容的影响，使用反馈门控和边沿触发锁存方法消除尖脉冲对信号提取的干扰；雪崩信号提取的相关电路采用高速ECL方式提高系统的运行频率，并采用高频放大器对雪崩信号进行放大，提高系统的动态范围，增强抗干扰能力，提高可靠性。通过实验测试和噪声等效功率分析，获得了该单光子探测器的最佳性能指标，测试分析表明上述实验设计合理、有效。通过进一步改进探测器性能，将能获得该探测器在更高运行频率下的探测性能。基于该探测器的研究基础，正在开展单光子压缩传感成像原理实验，有望在光子计数成像7-8新机制方面获得突破性进展。另外，期望将近红外单光子探测器应用于通信领域，尤其通过深空通信9方面的相关研究，提升我国未来深空激光光子通信能力。参考文献：1Sun Zhibin,Ma Haiqiang,Lei Ming,et al.Single-photondetection at telecom wavelengthsJ.Chinese Phys Lett,2007,24(2):574-576.2Bennett C H,Brassard G.Quantum cryptography Public keydistributionandcointossingC/IEEEInternationalConference on Computers,Systems and Signal Processing,1984:175-179.3Sugihara K,Yagyu E,Tokuda Y.Numerical analysis ofsingle photon detection avalanche photodiodes operated in theGeiger mode J.Journal of Applied Physics,2006,99(12):124502-124502-5.4Rarity J G,Wall T E,Ridley K D,et al.Single-photoncounting for the 1300-1600-nm range by use of Peltier-cooledand 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