光子探测器
InGaAs(P)InP近红外单光子探测器暗计数特性研究.doc
InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。
InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。
本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。
搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。
对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。
目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。
基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究
基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。
基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。
然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。
单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。
研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。
本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。
主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。
设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。
对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。
利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。
改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。
超导纳米线单光子探测器原理及应用-v4
目
录
摘要.............................................................................................................1 1 简介.......................................................................................................3 1.1 1.2 2 超导光辐射检测技术 .................................................................3 单光子检测：基本原理和评判依据 .........................................4
4
总结.....................................................................................................23
1 简介
1.1 超导光辐射检测技术
100 年前，荷兰人 Onnes 发现了神奇的超导现象【1】 ，超导应用发展进 程也从此拉开序幕。超导态对光波段的辐射较为敏感【2】 ，1994 年人类首次 成功实现了超导辐射探测器和超导测辐射热仪【3】 ，这得益于超导薄膜、微 加工技术和激光光源等学科的发展。在天文等领域的需求牵引下，出现了一 系列具有单光子灵敏度能量分辨率的超导探测器，它们工作温度通常在 1 开 尔文以下。 这类探测器包括： 超导隧道结 （STJ: superconducting tunnel junction） 【4】 ，电阻转变沿探测器（TES: transition edge sensor） 【5】和动态电感探测 器（KID: kinetic inductance detector） 【6】 。 十年前，Gol’tsman 等人利用氮化铌（NbN）纳米线首次验证了一类新 概念的超导探测器【7】 。这类探测器在可见光和近红外波段具有单光子灵敏 度，且其恢复时间和定时精度比现有的基于超导材料的单光子探测器具有数 量级的提升， 被称为超导单光子探测器 （SSPD： superconducting single-photon detector ）或超导纳米线单光子探测器（ SNSPD ： superconducting nanowire single-photon detector）*。此外，这类探测器可以工作在液氦温区（4.2K） ， 是较为成熟的闭合循环（机械）制冷技术可以实现的温度区间【8】 。SNSPD 在红外波段时间关联单光子计数（ TCSPC ： time correlated single-photon counting） 【9】方面具有很大的应用潜力，该领域已开始出现很多新的重要 应 用。 SNSPD 的主要竞争对手是固态单光子雪崩光电二极管（ SPAD: single-photon avalanche photodiode ） 。 而 大 尺 寸 的 光 电 倍 增 管 （ PMT: photomultipliers） 【10】目前已经被 SPAD 所取代。SNSPD 的波长响应范围 远高于硅 SPAD【11】 ；和 InGaAs SPAD【12】相比，SNSPD 在性噪比方面 具有明显的优势。SNSPD 在过去十年内已经成为一个研究的热点领域。目 前世界上很多研究小组都在开展相关的研究工作，并不断推动这个领域的发 展。本综述文章将概要介绍器件的工作原理、器件结构设计、制冷、器件材 料以及应用研究进展。
光探测器工作原理
光探测器工作原理
光探测器是一种将入射光转换成电信号的器件，常见的光探测器工作原理有以下几种：
1. 光电效应原理：根据光电效应原理，当光照射到某些材料表面时，光子能量被吸收，电子被激发并从原子中释放出来，形成电流。
这种原理广泛应用于光电二极管（Photodiode）和光
电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）等探测器中。
2. PN结原理：基于PN结的光探测器利用PN结的电荷分离机制。
当光照射到PN结上时，光生电子和空穴会产生电流。
这
种原理广泛应用于光电二极管和光电导型传感器（Phototransistor）等探测器中。
3. 光阻效应原理：光阻效应是指某些材料中的电阻会随光照强度的变化而发生变化。
当光照射到光敏材料时，电阻发生变化，从而产生电信号。
这种原理广泛应用于光敏电阻（Photoresistor）等探测器中。
4. 光电场效应原理：光电场效应是指光照射到光敏材料上，引起电荷分布的变化，从而改变场效应管的导电能力。
这种原理广泛应用于光电场效应管（Photofield Effect Transistor，PhotoFET）等探测器中。
5. 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）原理：SPR是指当光照射到金属或半导体的界面上，产生并共振的电磁波与界面上的电子气体发生相互作用，形成能量耗散和
散射，从而产生可测量的信号。
这种原理广泛应用于生物传感和化学传感等领域。
这些工作原理的光探测器在不同的应用场合中具有各自的优势和特点，可根据具体需求选择合适的光探测器。
单光子探测技术的原理和应用
单光子探测技术的原理和应用1. 简介单光子探测技术是一种高灵敏度光学测量技术，可以探测并计数光子的到达时间、位置和能量，被广泛应用于量子通信、量子计算、生物医学成像等领域。
本文将介绍单光子探测技术的原理和其在不同领域的应用。
2. 原理单光子探测技术的基本原理是利用光敏材料或光探测器来探测、测量单个光子的到达。
常见的单光子探测器有光电倍增管（PMT）、硅光电二极管（Si-APD）和超导单光子探测器等。
2.1 光电倍增管（PMT）光电倍增管是一种真空光电离探测器，可以测量极弱光信号。
其工作原理是将光子转化为光电子，然后经过倍增过程得到带电荷的脉冲信号。
PMT具有高增益、快速响应和宽动态范围等特点，适用于低光强条件下的单光子探测。
2.2 硅光电二极管（Si-APD）硅光电二极管是一种半导体光电探测器，利用内部电子增益机制实现单光子探测。
当光子入射到硅光电二极管上时，会产生电子-空穴对，电子会经过电子增益过程放大，并被探测电路记录。
Si-APD具有高探测效率、快速响应、低噪声等优点，在光通信和量子密钥分发等领域有广泛应用。
2.3 超导单光子探测器超导单光子探测器是一种基于超导材料的光电探测器，能够实现极高的灵敏度和探测效率。
超导单光子探测器利用超导材料的超导态和非超导态之间的转变来探测光子的到达。
它具有极高的探测效率、快速响应时间和低噪声等优点，是量子信息领域的关键技术之一。
3. 应用单光子探测技术在众多领域中发挥着重要作用。
以下是几个常见领域的应用实例：3.1 量子通信量子通信依赖于传输和检测单个光子的能力，单光子探测技术的高灵敏度和高探测效率使其成为实现量子通信的重要技术。
通过单光子探测技术，可以实现安全的量子密钥分发和量子隐形传态等量子通信协议。
3.2 量子计算量子计算是利用量子力学原理进行计算的一种新型计算方法，其基本单位是量子位或量子比特（Qubit）。
单光子探测技术可以用于测量量子比特的准确状态，为量子计算提供了必要的信息。
高速InGaAs单光子探测器设计
在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。
根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。
在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。
图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。
图中右方表示了电场强度的分布示意图。
近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。
由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。
因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。
该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。
虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。
但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。
图２－３薄型ＡＰＤ内部结构２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。
实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。
在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。
通常使用液氮将８山东大学硕士学位论文第三章正弦门控单光子探测器设计３．１正弦门控工作模式１１４ｉ在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。
ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。
当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。
另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。
单光子计量中的探测系统设计与实现
单光子计量中的探测系统设计与实现单光子计量已经成为量子信息处理和量子计算机中不可或缺的技术之一。
在单光子计量中，一个关键的技术就是光子探测器，它的性能直接影响光子计量的精度和灵敏度。
而实现高灵敏度的光子探测器，不仅需要优秀的光电转换效率，还需要极限的能量分辨率和时间分辨率。
本文将介绍单光子计量中光子探测器的设计和实现。
1. 光子计量中的光子探测器光子探测器的种类很多，在光子计量中比较常用的主要有两种：光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）和单光子雪崩探测器（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）。
PMT不仅具有很高的量子探测效率，还有很高的信号增益，适用于低亮度的光子计量实验。
但是，PMT的能量分辨率和时间分辨率较差。
而SPAD具有很高的能量分辨率和时间分辨率，是单光子计量中的最佳选择之一。
2. 单光子雪崩探测器的构成和原理SPAD是一种具有内建放大器和光电转换效率的单光子探测器，利用电子雪崩效应将光子信号转换为电子信号，再通过内建放大器将电子信号放大，从而获得可读的信号。
SPAD的内建放大器包括电子积分放大器（Electronic Integration Amplifier, EIA）和CMOS前置放大器（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS Amplifier）。
EIA需要较长的积分时间来完成放大，例如10毫秒，而CMOS放大器快速响应，可以在原始时钟周期内完成电荷放大。
CMOS前置放大器有望在未来成为SPAD的主流放大器设计。
3. SPAD的光电特性SPAD的光电转换过程可以分为三个阶段：吸收、荷载和电子放大。
在吸收阶段，当光子进入探测器时，它可以被探测器中的半导体材料吸收。
这里需要注意的是，SPAD通常使用Si和Ge探测器，其中Si探测器的吸收效率较高，但Ge探测器的噪声散点较小。
车辆轴温监测系统中的光子探测器
车辆轴温监测系统中的光子探测器时蕾宋宪华杨树森(郑州铁路职业技术学院,河南郑州450052)[摘要]介绍了光子探测器在车辆轴温监测系统中的应用,对光子探测器的工作原理、安装方法及常见故障作了详细的阐述。
[关键词]光子探头;车辆轴温监测系统;探测器1引言在列车运行过程中,车轮的高速运转会使轴承由于摩擦而发热,如果热量没有及时散出或是在非正常运转的情况产生高热,都会导致车辆燃轴、切轴事故的发生。
为了保证列车能安全运行,在轨道两侧采用红外轴温监测系统对运行列车的车轴温度进行连续跟踪监测。
光子轴温探测器是为适应我国铁路提速需求而研制成功的新一代探测设备。
应用于HTK-391(499)型红外轴温探测系统中,适应车速为5-360K m/h,其响应速度快,性能稳定,并且设置了自适应可控恒温热源,可对光子探头采集精度自动调整,确保轴温采集的准确性。
2光子探测器的工作原理光子直流探测器主要由光子探头、光学镜头、控制板、放大板、激光扫描装置、航空插座等组成。
如图1所示。
图1光子直流探测器各部分示意图光子探头用于采集温度信号,为了确保采集信号的准确度,采用了美国最先进的半导体三级制冷式碲镉汞光子红外测温元件,该元件具有响应率高、稳定度高、可靠性高等特点。
探头具有低噪声直流放大电路,它具有统一的背景,可以实现定量测温,由于放大电路采用了新型的元件,使探头具有很低的漂移。
另外,探头采用先进的自适应温度标定方法,当外界环境温度发生变化时,相应引起箱温的改变,造成相对于同样的车轴温度,温箱变化使探头输出值不一样,这就出现了偏差,使用自适应温度标定可以弥补这个偏差,使探测器在不同的状态下都具有较高的测温精度。
探测器上的激光瞄准装置,使现场校对光轴极为方便,准确。
3光子探测器的安装使用光子探测器是应用在HTK-391(499)型红外轴温探测系统中,它的安装一般有两种方式:一是现有已使用的391(499)探测站系统上加装,作为下探2使用;二是以499为主机,光子系统作为下探1使用。