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1、第29卷第12期光子学报Vol.29No.122000年12月ACTAPHOTONICASINICADecember2000硅雪崩光电二极管单光子探测器梁创廖静梁冰吴令安(中国科学院物理研究所光物理开放实验室,北京603-15信箱100080)Email:qo@aphy.iphy.ac.cn摘要将硅雪崩光电二极管应用于盖革模式下,制作出高量子效率、低噪音、短死时间的单光子探测器.设计并制作了雪崩抑制电路,获得探测器特性参量为无源抑制方式下死时间1s,有源抑制下60～80ns,输出脉冲宽度15～20ns.并详细检测了探测器直到液氮温度下的特性.观
2、察到一些新现象.关键词雪崩光电二极管;雪崩抑制;盖革模式;单光子探测0引言在量子通信等量子光学实验中,需要高效、低某一瞬间,pn结内没有任何电子或空穴,雪崩就噪音的单光子探测器.通常使用的光电倍增管会被抑制.根据抑制方式的不同APD盖革模式2～4(PMT)在近红外波段的量子效率太低,而硅雪崩下的应用类型分为两种:无源抑制和有源抑5～7光电二极管(APD)在此波段的量子效率高、增益制.在计数率要求不高的情况下采用无源抑大,同时也能覆盖可见区.通常APD是应用在工制,在量子通信等计数率要求高的实验中需采用作电压低于雪崩电压的情况下;本文报道的APD有
3、源抑制.应用方式则是在工作电压高于雪崩电压的情况本文描述了硅APD无源、有源抑制条件下下,即所谓盖革模式.国外现已有APD这种应用作单光子探测器的行为.可以看出盖革模式下工方式的商品,但价格昂贵.我们自己研制有关设作的硅APD替代庞大、脆弱、贵重的PMT的优备,并首次进行液氮温度下的实验,在国内首次制势,它不仅在量子光学、光谱学、光学传感器等实作了近红外单光子探测器.验研究方面而且在通信、军工等方面有重要应用当APD的工作电压逐渐逼近雪崩电压时,前景.本文介绍的探测系统是作者为“量子密钥1理论上雪崩因子M将趋于无穷大;实际上,当工分发”实验而研制
4、的,运转良好.限于篇幅,将基作电压小于雪崩值时,M到1000左右就会饱和.本理论分析略去,主要报道实验工作.只有在盖革模式下,即工作电压高于雪崩击穿电1无源抑制方式压时,M才能大到足以捕捉单光子.在盖革模式如图1所示,无源熄灭电路是由一个大电阻下,噪音也变得很大,因此必须降低工作温度,以R1与APD简单串联构成,单光子产生的雪崩电减少噪音.另外,还必须在一个光子触发了雪崩脉冲信号从一个50阻抗Rs上引出.它的等效后停止它,否则雪崩继续下去,探测器无法接收下电路图在右边.APD可以看作一个理想的光控一个光子.因此,尽量缩短死时间,才能提高光子开关
5、K与一个电压源Vb的串联构成,有光子入探测率.在很大的M下,只要pn结里存在一个射时K闭合,而Vb就是APD的雪崩电压值.图电子-空穴对,雪崩就会继续存在.若要抑灭雪中还画出APD等效内阻Rd和结电容Cd.我们还崩,必须限制通过pn结的电流.当电流小于一个应注意到实际存在的分布电容Cg,它的值一般只阈值时,由于电流随时间也有一个分布,必定存在国家自然科学基金和中国科学院计量测试高技术联合实验室资助项目收稿日期:2000-04-1012期梁创等.硅雪崩光电二极管单光子探测器1143有pF量级,但它在电路中却扮演着极为重要的宽加宽,死时间加长,每秒钟
6、能捕捉到的光子数就角色.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.我们曾经并上一个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10s量级,每秒最多能5记录10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.如果想要得到性能更图1(a)无源抑制电路原理图,(b)该电路等效电路图好的光子计数器,可采用有源抑制的方法.(Vp为负高压源)在室温下APD虽然
7、也能进行单光子探测,Fig.1(a)Schematicdiagramofapassivelyquenched但暗计数(即无光条件下由于噪音产生的计数)较APDcircuit;(b)Equivalentcircuit大.降低暗计数需要冷却APD,国外报道的均为单光子电脉冲信号的产生分为三个阶段:等室温或半导体制冷温度下.我们将APD置于液待就绪阶段、雪崩阶段和恢复阶段.氮温度下工作,以期获得新的或更好的特性.1)等待就绪阶段我们曾经试用过国产的硅APD但是其增益这是探测器大部分时间所处的状态,此时没太小等性能不适于制作单光子探测器.最终选用有光子到
8、达,在Cg及APD上加一负偏置电压的EG&G公司C30902S型APD8,光敏面直径为Vp.实际加在APD上的工作电压Vd比雪崩电压0.
