CN101545810A

CN101545810A - 一种高速单光子探测方法与探测器

Info

Publication number: CN101545810A
Application number: CN200810020177A
Authority: CN
Inventors: 韩正甫; 刘云; 郭光灿
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: CN101545810B

Abstract

本发明提出了一种高速单光子探测方法与探测器，在已有雪崩光电二极管APD单光子探测原理和探测器的基础上，增加一束辅助泵浦光子直接照射在APD上，将在耗尽层中被俘获的载流子激发到导带，从而在最短的时间内将俘获中心倒空，使得后脉冲效应迅速降低，从而实现了高速单光子探测的目的。互换泵浦光子和待测光子的波长，本发明还实现了对应于俘获中心能级深度的长波单光子探测器。

Description

一种高速单光子探测方法与探测器

技术领域

本发明属于弱光检测技术领域，特别涉及光谱学、激光雷达、天体物理、量子通信等学科中的弱光或单光子检测技术。

背景技术

单光子探测技术是微弱光信号检测中最灵敏的方法，广泛应用于光谱学、激光雷达、天体物理、大气和环境检测、量子信息技术等需要对弱光甚至是单个光子进行检测的最基本手段。

单光子探测器的性能可用如下三个主要指标描述：探测效率、暗计数率和最大计数率。探测效率和暗计数率分别表征了探测器探测单光子信号的效率和出现噪声的几率；而最大计数率则表征了探测器在单位时间内可探测单光子脉冲数目的能力。在光谱学、激光雷达、天体物理、大气环境检测等应用中，最大计数率会限制可测信号的最大强度，因而决定了有效信息获得的速率，在实时检测与反馈控制中是至关重要的指标；而在以单光子为信息载体的量子通信中，探测器的最大计数率将从根本上决定量子通信的通信速率。因此，要实现高速量子通信，必须最大限度地提高红外单光子探测器的最大计数率。目前基于硅APD(雪崩光电二极管)的单光子探测器，工作温度为-20℃左右，探测量子效率最高可达70％，暗计数可低于25/s，最大计数率低于15MHz；而以InGaAs/InPAPD为基础的红外单光子探测器对应的性能指标为：当APD工作温度约为218K左右时，探测效率约为20％，暗计数率约为10⁴/s，最大计数率低于1MHz。

影响探测器最大计数率的根本原因是所谓的“后脉冲”效应。即当APD接收单个光子产生一次自持雪崩后，大量的光生载流子通过APD的耗尽层，这样，在耗尽层中的俘获中心就会俘获部分载流子，脉冲过后，这些被俘获的载流子就会由于热激发而从俘获中心被释放出来，此过程经常用时间常数τ描述，即雪崩脉冲结束τ时间以后，还留在俘获中心的载流子数量是开始时的e^-1倍。如果这些被释放出来的载流子正好碰上APD处于盖革工作模式下的开门状态，这些被再释放的载流子就会触发APD再次产生自持雪崩信号，由于后续电路无法区分这种雪崩与真正信号产生的雪崩信号，从而将其作为信号记录下来，这就产生了所谓的后脉冲引起的暗计数。因此，通常要求APD连续两次探测单光子的时间间隔大于τ，以减少后脉冲效应的干扰，这就使得探测器的最大计数率必须小于1/τ。

下面以固体能带理论来说明这个过程。图1是APD的能带结构示意图。APD的导带和价带能级分别为Ec和Ev，俘获中心的能级为Ed。当APD接收待测光子(能量hv₀≥Ec-Ev＝Eg)后发生过程1：价带的载流子吸收光子后变成自由载流子；雪崩结束后大部分载流子发生过程2：回到价带；部分载流子则发生过程3：被俘获中心俘获，俘获能Et＝Ec-Ed；这些被俘获的载流子然后发生过程4：被俘获中心释放，直接跃迁到价带Ev；由于APD总是在一定的温度下工作，这些被俘获的载流子在释放过程中，还可能直接被热激发到导带Ec，会发生过程5：产生自由载流子；如果过程5发生时，正好APD处于盖革模式下的开门状态(偏压高于雪崩电压)，则这些载流子可以再次触发雪崩，产生暗计数—即形成后脉冲。从以上过程可以看出，要提高探测器的计数率，必须使过程4尽快发生，即设法使俘获中心尽快释放载流子。

到目前为止，前人加快过程4的唯一方法是使APD的工作温度升高，增加载流子从俘获中心逃逸的概率。但是，工作温度的升高会导致单光子探测器的热激发率大幅度提高，从而导致直接跃迁产生的暗计数大幅度增加，严重降低探测器的性能。因此目前所用的单光子探测器都工作在低温下，并严格控制APD的工作温度在一个最佳的范围，即在热激发和后脉冲效应之间寻找平衡点，使得探测器的综合性能处于最佳状态。

发明内容

本发明提出了一种高速单光子探测方法与探测器，除将待测单光子照射到APD灵敏面上以外，增加一束泵浦光子直接照射到APD灵敏面上，控制泵浦光子的能量(hv)小于APD吸收层的禁带宽度Eg，并与俘获中心的俘获能Et共振，这束泵浦光子将激发被俘获的载流子发生过程5。由于光子吸收过程非常快，这束附加的泵浦光子很快会将俘获中心倒空，从而减少甚至杜绝了被俘获的载流子在一段时间以后被再激发的几率，从而使得后脉冲的出现时间大大缩短，达到提高探测器工作频率的目的。

本发明的技术方案如下：

一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管(APD)外接偏置电路和温度控制电路，当入射光子能量大于APD吸收层的禁带宽度时，雪崩光电二极管APD产生一次自持雪崩，给出单光子信号，雪崩过程结束后，会有光生载流子被APD的俘获中心所俘获，俘获能Et；将光子能量小于吸收层禁带宽度的长波光入射到APD上，使其与俘获能Et共振，激发在所述的自持雪崩过程中被俘获中心所俘获的载流子，将其激发到导带，倒空俘获中心的载流子，降低被俘获的载流子在雪崩结束后被再激发的几率，即可大幅度提高APD的工作频率。

另一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管(APD)外接偏置电路和温度控制电路，入射一束能量大于APD吸收层的禁带宽度的短波光子，使雪崩光电二极管APD产生一次自持雪崩，雪崩过程结束后，会有光生载流子被APD的俘获中心所俘获，俘获能Et；将能量与俘获能Et相近的待测长波光子入射到APD上，将俘获中心所俘获的载流子再激发到导带形成雪崩光电流，给出探测信号，实现对能量与俘获能相近的长波光子的探测，由此可以实现长波波段的单光子检测。

第三种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管(APD)外接偏置电路和温度控制电路，入射一束光子能量约等于价带到俘获中心能级差的光束，将价带载流子直接激发到俘获中心，将待测光子(hv)入射到APD上，待测光子(hv≌Et)将俘获载流子再激发到导带，并产生雪崩电信号输出，由此实现单光子检测。

由所述的高速单光子探测方法，可以构造出单光子探测器，其特征是在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，所述的短波、长波单光子分别从透反双色镜的前方与侧方入射，经过透反双色镜的透射与反射进入雪崩光电二极管APD，按照上述方法，同时或交替入射两种波长的光子即可得到需要的单光子信号。所述两种波长光子入射光路的透射和反射可以互换，只是透反双色镜的波长要对应的互换。

所述的高速单光子探测方法中的偏置电路，其第一种情况是偏置电压是稳定的直流电压，其电压略高于所述APD的雪崩电压；

所述的高速单光子探测方法中的偏置电路，其第二种情况是偏置电压用脉冲电压，其电压脉冲的高度略高于所述APD的雪崩电压；第三种情况是偏置电压是在稳定的直流电压上叠加脉冲电压，其叠加后的脉冲高度略高于所述APD的雪崩电压。

本发明除将待测单光子照射到APD灵敏面上以外，增加一束泵浦光子直接照射到APD灵敏面上，这束附加的泵浦光子很快会将俘获中心倒空，从而减少甚至杜绝了被俘获的载流子在一段时间以后被再激发的几率，从而使得后脉冲的出现时间大大缩短，达到提高探测器工作频率的目的。

附图说明

图1为雪崩光电二极管的能带结构示意图。

图2为本发明长波辅助泵浦高速单光子探测器结构示意图。

图3为本发明短波辅助泵浦长波单光子探测器。

图4为本发明俘获能级辅助泵浦高速单光子探测器。

具体实施方式

例1

参见图2。

一种高速单光子探测装置，设置雪崩光电二极管APD为光灵敏器件，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，长波辅助长波光源和待测光子源分别安装在透反双色镜的前方与下方，二种波长的光子经过透反双色镜的合成后进入雪崩光电二极管APD进行探测。

例2

参见图3。

一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，将短波辅助泵浦光源和待测低能光子源分别安装在透反双色镜的前方与下方，二种波长的光子经过透反双色镜的合成后进入雪崩光电二极管APD进行探测。其工作过程为短波泵浦光子将APD价带载流子泵浦到导带并产生一次自持雪崩，雪崩过程结束后，会有光生载流子被APD的俘获中心所俘获，待雪崩过程结束后，将待测长波光子将俘获中心的载流子再激发到导带，并在外偏置电压的驱动下，再次产生雪崩过程，从而给出对应于长波光子的电流信号，用来测量长波光子信号。

例3

参见图4。

一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，将辅助泵浦光源和待测光子源分别安装在透反双色镜的前方与下方，二种波长的光子经过透反双色镜的合成后进入雪崩光电二极管APD进行探测。其工作过程为辅助泵浦光子将APD价带载流子泵浦到俘获中心能级，待测光子再将俘获中心的载流子再激发到导带，在外偏置电压的驱动下产生光电流，从而给出对应于待测单光子或多光子的信号。

Claims

1、一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，当入射单光子能量大于等于APD吸收层的禁带宽度时，雪崩光电二极管APD产生一次自持雪崩，给出单光子信号，雪崩过程结束后，会有光生载流子被APD的俘获中心所俘获，俘获能Et；其特征在于：将光子能量小于吸收层禁带宽度的长波单光子入射到APD上，使其与俘获能Et共振，激发在所述的自持雪崩过程中被俘获中心所俘获的载流子，将其激发到导带，倒空俘获中心的载流子，降低被俘获的载流子在雪崩结束后被再激发的几率，以提高APD的工作频率。

2、一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，其特征在于：入射一束能量大于或等于APD吸收层的禁带宽度的短波光子，使雪崩光电二极管APD产生一次自持雪崩，雪崩过程结束后，会有光生载流子被APD的俘获中心所俘获，俘获能Et；将能量与俘获能Et相近的待测长波光子入射到APD上，将俘获中心所俘获的载流子再激发到导带形成光电流，给出探测信号，实现对能量与俘获能Et相近的待测长波光子的探测，由此实现长波波段的单光子检测。

3、一种高速单光子探测方法，设置雪崩光电二极管APD，所述的雪崩光电二极管APD外接偏置电路和温度控制电路，其特征在于：入射一束光子能量约等于价带到俘获中心能级差的光束，将价带载流子直接激发到俘获中心，将待测光子(hv)入射到APD上，待测光子(hv≌Et)将俘获载流子再激发到导带，并产生雪崩电信号输出，由此实现单光子检测。

4、根据权利要求1所述的高速单光子探测方法构造的单光子探测器，其特征在于：在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，所述的短波、长波单光子分别从透反双色镜的前方与侧方入射，经过透反双色镜的透射与反射进入雪崩光电二极管APD。

5、根据权利要求2所述的高速单光子探测方法构造的单光子探测器，其特征在于：在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，所述的短波、长波单光子分别从透反双色镜的前方与侧方入射，经过透反双色镜的透射与反射进入雪崩光电二极管APD。

6、根据权利要求3所述的高速单光子探测方法构造的单光子探测器，其特征在于：在雪崩光电二极管APD正前方设置45度倾斜的透反双色镜，所述的泵浦、待测光分别从透反双色镜的前方与侧方入射，经过透反双色镜的透射与反射进入雪崩光电二极管APD。

7、根据权利要求1所述的高速单光子探测方法，其特征在于所述的偏置电路的偏置电压是稳定的直流电压，其电压略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是脉冲电压，其电压脉冲的高度略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是在稳定的直流电压上叠加脉冲电压，其叠加后的脉冲高度略高于所述APD的雪崩电压。

8、根据权利要求2所述的高速单光子探测方法，其特征在于所述的偏置电路的偏置电压是稳定的直流电压，其电压略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是脉冲电压，其电压脉冲的高度略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是在稳定的直流电压上叠加脉冲电压，其叠加后的脉冲高度略高于所述APD的雪崩电压。

9、根据权利要求3所述的高速单光子探测方法，其特征在于所述的偏置电路的偏置电压是稳定的直流电压，其电压略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是脉冲电压，其电压脉冲的高度略高于所述APD的雪崩电压；或者偏置电压是在稳定的直流电压上叠加脉冲电压，其叠加后的脉冲高度略高于所述APD的雪崩电压。