（物理电子学专业论文）基于apd的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究.pdf

摘要 摘要 随着高度信息化的到来，信息交换的安全性变得越来越重要，目前的保密通 信使用的是经典密钥，窃听者町以复制或窃取经典密钥而不被发现，从严格意义 上来讲并不是十分安全的。而量子保密通信体制的晟大特点就是安全其安全性 是由量子力学的基本原理测不准原理和单光子不可克隆原理所保证的，在量 子密钥的分发过程中，任何窃听者都无法逃避合法用户的发现。目前量子保密通 信的实验研究已飞速地向前发展，其研究内容主要包括单光子源、量子编码、量 子信息的传输、单光子探测等方面的技术。其中近红外单光子探测技术是实现量 子保密通信的关键问题之一。相对国外来说国内在这量子保密通信方面的研究 还是比较落后。 本论文的目的是基于商售雪崩光电二极管( a p d ，a v a l a n c h ep h o t o d i o d e s ) 的特点，为设计出一种稳定、高教和低噪声单光子探测器系统做前期技术研究。 文章介绍了量子密码术出现背景及其机理和国内外的研究近况，分析了单光子探 测器的发展及其各自优缺点，阐述了单光子探测核心器件a p d 的特殊t 作原理及 其用于单光子探测的几种工作模式，着重分析了强衰减方法实现单光子脉冲的原 理，并用光纤耦台分束器实现了单光子脉冲输出。在第三章中我们对整个单光子 探测系统做了全面的设计，其中包括高效低纹波a p d 直流偏压源设计、温控仪及 恒温腔设计、电缆形成超短脉冲的设计方法和单光子信号鉴别技术。第四章中， 通过无源抑制方法实验比较了不同厂家提供的a p d ，分析了它们的温度、增益及 噪声特性，最终确定了e p i t a x x a p d 具有良好雪崩增益特性，更适合做单光子探 测器。我们就白行设计的探测系统进行了红外单光子的初步探测和分析。 实验结果表明：单光子探测器核心器件a p d 的各项性能参数都与环境温度、 偏压稳定度、探测电路设计的优劣有着极大的关系。我们就半导体制冷技术提出 了三种冷却方案，制作了可利用自然冷却、风扇冷却和水循环冷却的制冷腔；同 时我们也制作了精度可达0 1 的温控仪。采用集成芯片m a x 5 0 2 6 的精密数控低纹 波高压源不但大大降低了由电源带来的额外噪声，而且使探测器更易于集成化并 且降低了成本，同时恒温腔采取自然冷却法使得探测器更加便利化。 广东工业大学硕士学位论文 关键词：量子保密通信；雪崩光电二极管；单光子探测；半导体制冷；雪崩抑制 a b s t r a c t w 汕t h ea r r i v a lo f h i g h j yi 1 1 f o r i 工l a 石o n a l i z e da g e ，l h es e c 西i yo fi f 0 珊a h o n e x c h a n g eb e c o m e sm o r ea n dm o r ci m p o 出n t c l a s s i c a lk c yi su s e di np r e s e n ts e c u f i t y c o m m 脚n c 撕o n s n o o p e rc a nm d k ed u p l i c a t eo rs t e a lm ed a s s i c a lk e yw i t h o u tb e i n g d i s c o v e r e d s ot h i s 打a d m o n a le n cr y p t i o ni s n ts a 凫e n o u 曲t h eg r e 出s ta d v 衄t a g eo f q 啪岫s e 叭d t yc o m m u n i c a t i o ns y s 把mi s ( h es e c u d 可ni sb a 8 e do nt h eq u a n t u m m e c h a n i c sa n dc f y p t o g r a p h 弘m es e c u r i t yi sg 咖硼t e e db yt h eb a s i cq u a 玎t l 】m p r i n c i p l e h e i s 即b e r g su n c e r t a i n t yp r i n c i p l ea i 】d ( h cq u a l 】t i l 1n o c 1 0 n i “gp 五n c i p k n o b o d yc 蛆e s c 叩et 1 1 ed i s c o v e r yo f 山e1 e g a l 哪e r s a tp r e s e 匕t h ee x p e 一珀e ma n dr c s e a r c ho fq u a n t i l ms e c u r 时c o m m u n i c a t l o nh a v e a l r e a d yb e e nd c v d 叩e da t 枷s p e e d + 田地r e s e a r c hc o “t e n t si n c l u d et l i et e c h n 0 1 0 9 y0 f s i 直e - p b o t o ns 0 眦e ，q u 曲m mc o d e ，q u 衄m mi n f 0 吼a t i o nd e l i v e r s ，a n ds i n ep h o t o n 拈把c t i o ne t c n e a r _ i n f 孤e ds n 宙ep h o t o nd e t e c t j o nj so n eo ft h ek c yp r o b l e m so f r e a l j z j n gt h eq u a n t l l ms e c l l r i t yc o 姗u n i c a t i o n d o m e s t i cm s e 盯c hi n 廿sa s p e c ti s s 枷lr e l a t i v e l yb a c k w a r dt of o r e i g nc o u n m e s t h ep u 工p o s eo f t l l i sa m c l ei si no r d e rt od e s i 昱皿a 虹do f s t e a l d y ，h i g l l - e 伍c i e | 1 ta n d 1 0 wn o i s es i n 茸e 巾h o 劬d e t e c 七o rs y s t c 芏nb a s e do nt 1 1 ec h 甜矗c t c ro fc 锄m e r c i a l l y a v a i l a b l ea v a l 锄c h ep h o t o d i o d e s ( a p d ) ，锄dd 0s o m ep r e v i o u st e c h n i c a lr e s e a r c h a r t i c l ej n 怕d u c e sm eb a c k g m u n da l l dm e c h a n i s mo fq 1 1 a n m mc f y p t o g a p h y 卸d t l l ed o m e s d ca n di n t e r n 鲥o n a lr e c e l l tr e s e a r c h w jh a v ea n a l y z e dt h er e l a v em e r i t s l dd e v e l o p 腓to fs i n g l ep h o t o nd e 把c t o r st h es p e c i a l 叩e r 撕o p 血c i p l ea n d s e v e 瑚lk i n d so f w 0 叫kp 毗e m so f 衄di 1 1s i n 9 1 e _ p h o t o nd e t e c 廿o n 盯ei n 奸o d u c c dh c r e i n 也i st h e s i sw eh a v ea n a l y 髓d 趾dr e a l i z e dt h es i n g k p h o t o np u l o u t p u tb yf i b e r o p d cc o u p l e r 谢t l la 仕铷u 撕0 nm e t h o d w eh a v em a d ea no v e 确1 ld e s 9 1 1t ot h es i n 9 1 e - p h o t o nd e t e c l j o ns y s 咖i n c h a p t e r 血e ，i n c l u d i n g1 1 i 曲- e 伍c i e ml o wr i p p l ed i r 。c tc c n tb i a sv o n a g eo fa p d ， t c i d p e r a 咖- c o i l 怕1 l e ds y s t 咖s ，如s i g n i 玎go fc o n s t 阻t 衄印明n u r c 阻v 】札u l 衄s h o r t p u l s e 敏蛆c a b l e 趾ds j n 9 1 ep h o t o ns i g n a ld i 砌n g u i s ht e c h n 0 1 0 科 w ch a v et e s t e ds o m ek i n d so f a p do fd i 船r e n tc o m p 柚y 柚d h a v e 锄a j y z e dt h e i r t e m p e r a m ，g a j na n dn o i s ec h a r a 曲e r i s d ci nc h a p t e rf o l l r w ef 0 咖dm a tt h ee p j t a x x + a p dh a sag o o da v a l 蛆曲e g a i nc h 啪c i e r i s t i c ，s o 恤i sk i n do fa p di sv e qs u i 衄b l ef o r 童三些奎耋堡圭兰堡篁圣 s i n 9 1 e - p h o t o nd e t e c t i o n w eh a v ed o n es o m ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s 、i t h o u r d c t c c t i o ns y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ：e v e r yp e r f 0 皿a i l c ep a 舢e t e ro fa p dh a sg r e a t r e l a 廿0 n sw i t he n v 曲n m e m 衄n p e 咖，s t a b 川t yo f b i a sv o h a g ea n dq u a l 时o ft l l e d e t e c t i o nc i r c u i t w bp r o p o s e dt l r e ek m d so fc 0 0 1 i n gs c h e m e so ns e i i l i c o n d u c t o r c 0 0 1 i n gt e c h n i q u e a n dm a d eac 0 0 1 i n gc h 枷b e rw i t c hc a nb ec o o k do fn a t i l r a l c o o l i n g ，胁一c o o l 咄 o rw a t e r _ c i r c u l a t i o n c o o l i n g 髓e p r c c i s i o n o fo u r t e l n p e r a n l r e c o n 们1 1 e d 印p 盯a m sc a n 锄o u n tt 00 1 t h ea c c u r a t en 吼e r i c a l 一c o n 的1 v o l t a g e5 0 u r c eb a s e do ni n t e 乎a t c dc h i pm a x 5 0 2 6m 出【e sd e t e c t o ri n t e 伊a 把de 醛i l ya n dl o wc o s t ， m c 柚w b 诧血ee x 劬n o i s eb 血g sb yp o w e rs 叩p i yd o 、张t oa m u c hl o w e r 丘g u r e c 0 0 1 i n g c h a m b e rw i 出m i t i l r a lc o o l i l l gm e t b o dm 出sd e t e c t o rm o r ec o “v e i l i e m k e y w o r d ：q 啪t 哪s e c 面t ) ，c o m m 硼i c 毹i o n ，a v a l a 】1 c h ep h o t o d i o d e ，s i n 百ep h o t o n d e t e c t i o n ，s e l i l i c o n d u c t o rc q 0 1 i n g ，a v a l 趾c h eq u e n c h i n g 第一章绪论 第一章绪论 在高度信息化、网络化的今天，特别是计算机的飞速发展，信息被非法 截取、破译和数据库资料被窃取的事例常有发生，在日常生活中信用卡密码 被盗也是屡见不鲜。密码的破译、数据的泄密、篡改必然会造成严重的后果， 特别是在金融信息、军事情报等方面，所以数据加密成为十分重要的问题。 随着密码学的发展，人们提出了很多复杂的加密方法，其中具有代表性的有 以下两种。 1 1 两种密码体制的基本知识“1 1 1 。1 一次一密密码体系 信息论创始人s h a n n o n 提出并在数学上证明了：当密钥的随机性十分理 想，不产生重复，如果密钥的长度不小于所要传送的信息长度，那么在理论 上是不可破译的，属于完全保密体制。在军事、商业和外交中常使用这种方 式加密。然而这种加密体制要求通信双方经常生成、传送和保存很多数据作 为共享密钥。发送者使用该密钥对消息进行加密，接收者使用同一个密钥对 消息进行解密，两者都必须保持密钥的专用性，以保证他们的秘密通信。这 种加密方法所具有的特性使它不适用于广泛传播，其主要有如下特点： 对需要密秘通信的每一对个体都要求有一个密钥。因此，密钥数会随 着通信参与者数目的增加而增加； 密钥必须在通信双方共享。这意味着必须将密钥以某种方式分发给参 与者，因此，基于传统通信信道的密钥分发机制会使密钥容易受到截取、复 制或篡改。 在一次一密密码加密体制中，由于加密和解密使用的都是相同的密钥， 所以这种加密也称为对称加密。 广东工业大学硕士学位论文 1 1 2 公钥密码体制 1 9 7 6 年美国人m e h e l l m a n 提出了一种公开密钥理论，其基本原理 是给每一一用户分配一对密钥，其中一个是只有使用者本人掌握的秘密密钥 ( 简称私钥) ，另一个是可以公开的密钥( 简称公钥) ，两个密钥通过算法结成 一定的关系。公钥只用于加密，私钥只用于解密，从公钥推导出私钥在目前 现有的计算机能力范围内几乎不可能，其安全性是依赖于破译难度大、时间 长来保证。在公钥密码体制中，经过加密后的密文直接发送出去而无需双方 进行密钥互换、分配和同步，因此它非常吸引人，其主要特点如下： 公用密钥加密要求每个参与者仅有两个密钥即可，公钥用于加密，私 钥用于解密： 用于解密的秘密密钥不需要共享。因此，这与一次一密密码体系中的 共享密钥方法相比，不会出现密钥的泄密问题； 可以发布公用密钥。它消除了在通信之前先要共享密钥的必要，任何 知道对方公钥的人，可用它来给对方发送仅有对方可读的消息。 公钥密码体制不是使用同一个密钥对消息进行加密和解密，因此，也称 这种加密方法为非对称加密。 公钥密码加密体制解决了密钥分配问题，但从理论上讲这种加密方法并不 是绝对安全的，其安全性主要是依赖于破译难度大、时间长( 如求大数因式 分解这样的数学难题) 来保证的。但随着计算机技术的不断发展，人们拥有 的计算能力也成几何级数的速度增长。特别是近年来人们在对量子计算机的 深入研究发现，量子计算机的一个突出特点就是能够实现量子并行计算，在 数据处理方面比经典计算机的速度快许多景级。一旦量子计算机研究取得突 破性进展，便可轻易攻破这种密码体制，因此，量子计算机的发展对公开密 钥体制的安全性构成了越来越大的威胁。 1 1 3 量子密钥体制 鉴于量子计算机对目前加密体制的潜在威胁，人们把眼光从公钥加密体制 中又转回到了“一次一密”的对称加密体制。虽然这种加密体制的缺点是密 钥在传输过程中容易被窃取、篡改或复制，但是如果有一种密钥传输信道能 2 第一章绪论 保证密钥的安全性，那么当该密钥长度不小于信息长度，就能绝对保证了信 息无法被破译，这就是引入了量子密钥体制的概念。量子密钥体制从密码体 制来说归属于一次一密密码体制，但它的原理与传统加密体制有本质区别。 量子密钥体制就是通过解决密钥发布这个难题来实现通信系统的完全保 密，它建立一个量子信道，这个量子信道可以提供一个统计特性，当有窃听 者存在时，根据海森堡不确定性原理这个统计特性就会发生明显的变化而被 发现。利用量子信道，我们可以随机产生大量的绝对安全的密钥，完全可以 满足绝对保密的要求“1 。 1 。2 量子保密通信 在经典物理中，对一物体的某一物理性质测量而不会对其产生干扰，所 以基于经典物理的保密通信其密钥都有被窃取而不被发现的可能性，这就是 经典保密通信在安全性上所存在的问题。量子保密通信就是一种采用单光子 作为信息载体，经由量子信道在合法用户之间建立共享的密钥( 真随机数) ， 来实现数据的保密通信。 1 2 1 国内外研究现状 1 9 8 4 年第一个量子密钥分发协议( q k d ) b b 8 4 协议出现以来，量子密 码学的研究取得了丰硕的成果，并逐渐形成了一个个系统的理论体系：如量 子信息论、量子密码理论基础、量子保密系统、量子认证系统等。在量子保 密通信中，量子信道传输的并不是密文，而是用于建立、传输密码本即密钥。 目前，在量子密码术实验研究上进展最快的国家有英国、瑞士、美国和日本 等。英国国防研究部于1 9 9 3 年首先在光纤中实现了基于髓8 4 协议的相位编 码量子密钥分发，光纤传输长度为1 0 k m ，探测器使用了低温冷却的锗雪崩光 电二极管。到1 9 9 5 年，经多方改进，在英国通讯实验室使用了3 0 k m 长的光 纤，传输误码率只有4 。1 9 9 3 年瑞士日内瓦大学基于b b 8 4 协议的偏振编码 方案，在1 1 公里长的光纤中传输1 3 微米波长的光子，误码率仅为0 5 4 ，并于1 9 9 5 年在日内瓦湖底铺设的2 3 公里长民用光通信光缆中进行了实 广东工业大学硕士学位论文 地表演，误码率为3 4 。1 9 9 7 年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折 射等因素影响，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高，被称为“即插 即用”的量子密码方案，并于2 0 0 2 年报道了通信距离为6 7 k m 的量子保密通 信实验”。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室采用类似英国的实验装置，通过先 进的电子手段，以b 9 2 方案成功地在长达4 8 公里的地下光缆中传送量子密 钥，同时他们在自由空间里也获得了成功。目前关于单光子量子保密通信系 统，美国的m a g i q 公司和瑞士的i dq u a n t q u e 公司已经开始有产品进入市场 ”1 。日本n e c 公司日前宣布他们的科研小组已将单光子量子保密通信的距离 延伸到1 5 0 k 。1 。然而在我国，量子密码通信的研究才刚刚起步，中科院物 理所于1 9 9 5 年以b b 8 4 方案在国内首次做了演示性实验，华东师范大学用b 9 2 方案做了实验，但也是在距离较短的自由空间里进行的。2 0 0 1 年，北京物理 所采用相位调制b b 8 4 协议，完成了8 5 0 n m ，1 1 公里的量子密钥分发实验， 有效数据传送速率3 b i t s ，误码率为9 左右。1 。总的来说，比起国外目前 的水平，我国还有较大差距。 1 2 2 关键技术 量子保密通信实用化的关键一是要增加量子密钥的有效传输距离，再就 是要提高系统效率。量子保密通信中的密钥传输是采用单个光子来实现的， 光纤固有损耗会阻碍着传输距离的提高。目前成熟的单光子探测器工作波长 在可见光长波段，长波长红外单光子探测器大都工作在1 3 l 微米和1 5 5 微 米两个光纤损耗和衰减最小的窗口处。因此开发出高灵敏度红外( 1 3 l u m 、 1 5 5 u ) 单光子探测器”1 也能在一定程度上增大单光子有效传输距离。另一个 关键性问题是单光子光源。现在量子密码研究中所使用的单光子光源是将相 干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0 1 、o 2 个光子，这是一种近似的单光 子源，其随机性比较大效率也低，此外，小概率多光子现象也会影响其安全 性。因此研制真正的单光子源成为量子密码研究的另一个关键性问题。美国、 日本、西欧正在大力开展这些关键技术的研究，最近在自然、科学上 也报导了一些重要进展，但仍未获得根本上的突破。 单光子探测器性能的好坏直接影响了量子保密通信系统的质量和有效 4 第一章绪论 传输距离，鉴于此，对单光子探测器控制驱动器的研究至关重要。如何把单 光子信号检测出来是我们实现量子保密通信的首要问题之一。本论文的主要 工作也就是对光纤通信长波段( 1 3 l o n 和1 5 5 0 n m ) 的单光子探测器核心器件 a p d 的各种相关特性及其相关控制、驱动电路进行研究，为设计出实用的单 光子探测器做前期技术准备，同时，我们也初步设计了长波长的单光子探测 计数器。 1 3 单光子探测器的发展 由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光 电子学重点研究的课题之一。在量子密钥分发、天文测光、大气测污、分子 生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学、光时域反射等现代科学技术领域 中，都涉及极微弱光信号的检测问题。量子密钥分发系统中的一项关键技术 就是在光纤通信的三个窗口( 8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m ) 实现单光子探测，a p d 是实现单光子探测的核心器件。除了继续研制和开发有更高灵敏度、新型结 构的a p d ，还通过改进市场a p d 的外围控制驱动技术来实现单光子探测。 1 。3 1 单光子计数器原理 单光子计数技术是一种检测极微弱光信号的新技术，这一技术是通过分辨 单个光子在光电探测器( 如光电倍增管) 中激发出来的光电子脉冲，把光信号 从热噪声中以数字化的方式提取出来。从时域上看，极弱光信号是时间上相 对比较分散的光子流，因而由探测器输出的将是自然离散化的电信号。针对 极微弱光的这一特点，采用脉冲放大，脉冲甄别和数字计数技术，可以大大 提高极弱光探测的灵敏度，这是其他探测方法所不能比拟的，现代光子计数 技术的优点有： 较高的信噪比，可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高； 抗漂移性很好，在光子计数测量系统中，探测器增益的变化，零点漂移 和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好： 有比较宽的线性动态范围； 测量数据以数字显示，并可以数字信号形式直接输出给计算机进行分析 广东工业大学硕士学位论文 处理。 典型的光子计数系统原理如下图卜1 所示，其中主要可分为光电探测器、 低噪声前置放大器、脉冲幅度鉴别器和计数器四个部分。 m 冬匪k 遥至趱相 图l 一1 典型光子计数系统原理框图 f i g1 1t h et y p i c a ls c h e m eo fp h o t o nc o 吼t e r 从上图可以看出，光电探测器是整个计数系统的核心。光电探测器将极 微弱光信号转化为电脉冲，先经过低噪声前置放大器放大，经由脉冲幅度鉴 别器滤除噪声，输出t t l 码供计数器计数。在室温时，光电探测器本身的噪 声水平约为l o 。1 4 w ，而单光子的能量仅有1 0 。1 9 1 0 。1 8 j ，因此，理想的单光子 探测器必须具备下列条件：高的增益；短的上升时间；高的量子效应；灵敏 的时间分辨率；宽的光谱响应和探测效率；小的暗电流噪声。然而在实际上， 几乎没有一样探测器都能满足以上所有条件。现有的各种单光子探测都是通 过改进探测器的工作原理、条件和环境来实现的。 1 3 2 可用作单光子探测的光电探测器 可用来制作光子计数系统的光电探测器件主要有光电倍增管( p m t ) ，雪 崩光电二极管( a p d ) ，真空雪崩光电二极管( v a p d ) ，增强光电二极管( i p d ) ， 微通道板( m c p ) ，它们有的已经有过6 0 多年的发展，有的是最近十多年才出 现，各有其适用范围及优缺点。 光电倍增管是一种利用光的外光电效应的一种光电转换器件，主要是由 光电阴极和打拿极构成。其工作原理是光电阴极吸收光子并发生外光电效 应，发射光电子：光电子在外电场的作用下被加速后到打拿极并产生二次电 子发射，二次电子又在外电场的作用下被加速到下一级打拿极产生更多的电 子，随着打拿极的增加，二次电子的数目也得到倍增，最后由光电阳极接收 并产生电流或者电压信号输出。p m t 在可见光光谱范围有很高的增益和较低 的噪声，因此广泛用在光谱分析、卫星遥感测量、高能物理、医学影像诊断、 第一章绪论 环境检测、军事侦察、空间探索等领域。但其工作电压高、体积大，抗外磁 干扰能力差，且只能适用于可见光波段探测，使其在近红外单光子探测面前 无能为力。 a p d 是一种具有内部增益的高灵敏度光电探测器。在强电场作用下，光 生电子一空穴对经过高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速 运动中与晶格原子碰撞，使晶格的原子电离而产生新的电子一空穴对。新产 生的二次电子一空穴对在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的晶格 原子，这样多次碰撞电离的结果，使a p d 结区载流子数目迅速增加，形成雪 崩倍增效应。a p d 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测 器，其反向工作电压不高，噪声相对较小，波段范围刚好能覆盖近红外区。 因此，在a p d 非常适合于近红外波段的极其微弱光信号探测。 v a p d 是一种由光阴极和一个具有大光敏区面积的s i a p d 组成，光阴极 与a p d 之间保持真空，入射光子在光阴极产生的光电子被强电场加速，高能 光电子能在s i - a p d 光敏区产生1 0 0 1 0 0 0 个电子空穴对，而在普通a p d 中， 每个光电子只能产生一个电子空穴对，因而v a p d 具有很高的增益，可达1 0 6 ”1 。 虽然v a p d 兼有p m t 和a p d 的优点，如噪声小，分辨率高，抗电磁干扰性能 好，探测光谱范围广，但其工作电压比p m t 还要高，因而也不利于实际操作。 微通道板自6 0 年代问世以来广泛用于军事科学、空间科学、核辐射探测 学、光谱学。4 0 多年来微通道板的制作工艺技术也取得了惊人的进展，相继 出现了l 2 m c p ，c 2 m c p ，h o t m c p ，u s p m c p 等板型。单片的m c p 增益较低，一般 为1 0 3 1 0 4 之间，达不到单光子计数的要求，可以通过用几片微通道板进行 级联来获得高增益。两片m c p 的v 型级联可达1 0 6 1 0 7 ，三片m c p 的z 型级 联可以达到1 0 7 1 0 8 ，当然级联后的暗电流也是几个数量级的增加，前部分 的暗电流越小越好。1 。 然而考虑到实用化、便利化和低成本，那么在设计单光子探测器还要综 合考虑其操作条件。在近红外极微弱光探测领域，人们使用最多的是体积小， 操作方便的雪崩光电二极管。 1 。4 雪崩光电二极管一a p d 的结构及工作原理 7 广东工业大学硕士学位论文 1 4 1 三种光电探测材料 在近红外波段常用a p d 作为单光子探测核心器件，从材料构成上a p d 主 要可以分为三大类，即硅雪崩光电二极管硅( s i a p d ) 、锗雪崩光电二极管 ( g e a p d ) 和铟镓砷雪崩光电二极管( i n g a a s a p d ) 。不同的材料分别对应不 同的性能。 s i 材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域。但s i 材料光电 二极管的截止波长为1 0 6 u ，仅适用于短波波长的光电探测。g e 和i n g a a s 材料光电二极管的波长响应范围为1 1 1 7 u m ，适合光纤低损耗和低色散的 两个长波长( 1 3 l u m 和l _ 5 5 u m ) 窗口。然而由于g e 材料的电子和空穴的离化 率比率接近l ，因此其固有噪声比较大，很难制备出高性能的a p d 器件，此 外在制备工艺中也存在很大的困难。对i n 。；，g a 。诅s i n p 材料来说，选择 i n 。g a 。，a s 作为a p d 光吸收层，i n p 作为倍增层，是一种制作高性能a p d 比较有效的方法。i n 。g a 。，a s 材料的吸收峰值在1 6 5 哪，在1 3 1 舳，1 5 5 m m 波长处均为较高的吸收系数，是目前光探测器吸收层的首选材料。 在长波长光电探测器材料中，i n 。g a 。，a s 材料比起g e 材料具有如下优 点： i n 。，g a 。，a s 是具有直接带隙的半导体材料，吸收系数高； i n 。g a 。，a s 介电常数比g e 小，要得到与g e a p d 相同的量子效率 和结电容，可以减少i n 。g a 。，a s 耗尽层的厚度，因此i n 。；。g a 。，a s i n p a p d 具有更高的效应和响应； i n 0 5 。g a 。扭s 的电子、空穴的离化率比率不是1 ，也就是说i n 。g a 。，a s i n p a p d 的噪声较低； i n 。g a 。，a s 与i n p 的晶格完全匹配，用m o c v d 方法在i n p 衬底上可 以生长出高质量的i n 。；。g a 。，a s 外延层，可以显著的降低通过p n 结的暗电 流。 i n 。g a 。，a s i n p 异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙 的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。 在短波长波段的近红外单光子的研究中，广泛使用的是s i - a p d ，硅雪崩 光电二极管在6 0 0 n m 9 0 0 n m 波长范围内具有较高的光子探测效率“”“。而 第一章绪论 在长波长波段( 1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ) ，人们经常使用的是具有窄带隙结构的锢 镓砷雪崩光电二极管( i n g a a s a p d ) n 2 1n 3 1 。 1 4 2a p d 典型结构分析 下图卜2 所示是一种拉通型雪崩光电二极管的典型结构及电场分布图。 由n + - p 一一p + 组成的四层结构，n + 、p + 分别表示重掺杂的n 型和p 型半导体， 层实际上是轻掺杂的p 型高阻层。在x 1 和x 2 之间是n + 接触层，x 2 到x 3 之 间是p 型倍增区，雪崩倍增主要发生在这一区域，从x 3 到x 4 是漂移区， 入射光子大部分在该区域被吸收，因为区比p 区宽得多。x 4 以后是p + 接触 区，为管子的称底。从场强分布图上可以看出，在n + _ p 靠近p 区一侧电场强 度最高。在管子处于低压反偏置时，所加电压大部分降落在该p + 一n 结区上； 当外加反偏压增大到雪崩击穿电压的9 0 9 5 时，耗尽层的宽度刚好“拉 通”到几乎整个本征的“区“。正因为如此，这种结构的a p d 称为拉通型雪 崩光电二极管。在超过拉通电压以后，外加电压将降低在包括n 区的p n 结 耗尽层上。由于n 区比p 区宽得多，所以此时p 型倍增区的电场随外加电压 增加相对来说变化比较慢，于是倍增因子得增加也相对较慢。在正常工作时， 虽然n 电场低于p n + 结倍增区电场，但仍然相当高，以便使在该区产生的光 图1 2r a p d 典型结构及电场分布 f 蟾1 2t h et y p i c a ls t m c t u r ea n de l e c t r i cf i e l d 出s t r i b u t i o no f r a p d 生载流子能以略低于产生二次碰撞电离的速度快速运动，这样才能保证雪崩 光的快速响应。n 区相当宽，能保证绝大部分入射光在该区被吸收，而且只 有在该区产生的初始电子空穴对中的电子才能进入p 一旷结高场倍增区去产生 碰撞电离，获得增益。在n 区产生的空穴是向相反方向运动的，不可能进入 广东工业大学硕士学位论文 高场倍增区，从而抑制了空穴产生碰撞电离的可能性。虽然在n + 区和p 区由 入射光子所产生的空穴也可能在高场区中发生碰撞电离，但毕竟n + 和n 区都 很窄，所以该区产生的初始光生空穴是很少的。另外，硅的空穴离化率又比 电子离化率小得多，因此，硅雪崩管的空穴在倍增中起的作用很小，在倍增 区主要是靠一种载流子产生碰撞电离。如前所述，当只有一种载流子产生碰 撞电离时，雪崩管的响应速度就比较快，而由倍增所引入的过剩噪声就比较 小。 由于通常要求高偏压，a p d 会呈现很大的泄漏电流和显示软击穿特性，因 此人们研发出很多新型结构的a p d 。其中典型的是吸收层和倍增层分开结构 的a p d ( 简称s a ma p d ，s e p a r a 缸o n a b s o i p o n 缸d m u l t i p l i c 撕o n a p d ) ，在这种a p d 中 为了减少i n g a a s i n p 异质界面能带偏移而引起的空穴堆积效应，在i n g a a s 和i n p 之间插入了一层i n g a a s p 过渡层，通常将这种a p d 吸收、渐变与倍增 区分离的雪崩光电二极管( 简称s a g ma p d ，s 印m t i o na b s o r 叫0 ng m t 她n d m 试唧l i c a t i o n a p d ) 。这些新型结构的a p d 性能优良，具有理想的雪崩光电响应 特性，然而其结构及制作工艺都非常复杂，因此价格也异常昂贵。 一；、k f l l h 躺褂 瓣 矿h 0 船l ，囊抻静穗藤矿l 鳙i - 瓣挣势盎膳 抽a o 晚4 p m 啦 i p n 轴 i 晴l 翩 曩冲费藏攫晰 | 酗a l 翩 h a i “触 f 腑n 6 9 m j i b 甑舾，宴o _ 曩 功瑶峨l ，翱 抽a 蝴l 翩 ， 弹舅焘盛毛钿啊 自潆彘黼 l 时札6 _f 矿自一 & f 知础_ t 玑6 e _ p 1 m 轴矗 il 。知啦 f知r o t i j h 嘲 1钿日 i 戎自h - 时“栅 姑p 甜盛 图卜3台面缓变双异质结1 1 1 0s s g a “擅s i l l p 光电二极管示意图 f i g 1 3 皿es k c 心n m po f i n 0 5 3 g a 0 4 7 a 8 6 脚p i n 上图卜3 所示是一种台面i n g a a s 光电二极管的各层结构和剖面图。“，从 上图可以看出i n g a a s i n ps a g ma p d 的实际结构是相当复杂的。实际上，各 层的厚度及掺杂浓度都是经过精心设计和考虑的。如吸收层的设计必须使得 i n g a a s i n g a a s p 界面上的电场大于1 2 1 0 5 y 册，这样吸收层就不会产生隧 1 0 第一章绪论 道电流和在界面上不发生空穴电荷堆积；为了使空穴载流子在倍增区内产生 重大雪崩电离增益，必须使耗尽层内电场大于4 5 1 0 5 矿硎“”。 1 4 3s p a d s 的单光子探测机理阳1 雪崩光电二极管的雪崩增益的大小与电子或空穴的电离率有关，其雪崩 过程是一个复杂的随机过程，通常用平均雪崩增益m 来表示。m 与击穿电 压r 、偏置电压勋的关系可用以下经验公式表示：m 2 f 丽若瓦万，月是 与温度有关的特性指数。 从经验公式可以看出，a p d 可以工作在两种方式下，其一是a p d 的偏置 电压k 低于击穿电压乃，。在这种工作模式下，对于s i a p d ，平均雪崩增益m 能够达到2 0 0 4 0 0 ，对于g e a p d ，m 可以达到5 0 2 0 0 左右，而i n g a a s a p d ， m 的值也只有1 0 4 0 “。如此低的增益还不足以捕捉到单个光子信号。若a p d 的偏置电压k 设置为稍高于雪崩电压时，即所谓的“盖隔”模式，理论上 雪崩倍增因子m 为无穷大，一个注入耗尽层的载流子都能触发a p d 雪崩，并 产生一个自持的雪崩电流，该电流能在力s 或皿力s 时间内达到，剃量级。“， 所以雪崩电流前沿标志着光子脉冲的到来。这就是a p d 之所以能探测到单光 子的机理。 1 4 4s p a d s 的主要性能参数分析 s p a d s 的主要性能参数有响应度和雪崩倍增因予、光子探测效率、时间 分辨率及暗计数等。 雪崩光电二极管a p d 的响应度的表达式如下： 胄：丝坐( 1 1 ) | i l c 表达式中：g 一一电子电量； 一一普朗克常数； c 一一真空中的光速； 五入射光波长： 疗一一量子效率； 广东工业大学硕士学位论文 m 雪崩倍增因子。 对于一定波长的入射光，引起响应度尺的变化因素只有露和m 。实验中 所用拉通型a p d 的量子效率表达式为“8 1 玎：! ! 二2 ! 二! 翌! 二坠塑】【! 互! 翌( 二鱼坐! 生塑! 翌! 二坠哇!( 1 2 ) 1 一吃e x p - 之c ( w + 吐+ 以) 】 式中，一一分别为器件前后表面的反射率： 吐，畋分别为前后接触区的有效厚度； 一一特定波长和温度下的光学吸收系数。 由于是波长和温度的函数，所以量子效率随波长和温度的改变而变 化；对于特定波长的入射光( 如五= 1 | 3 1 雕小) ，玎只随环境温度变化而变化。 雪崩区工处一个电子一空穴对的雪崩倍增因子m ( 曲可表示为： 啡) _ 丧 ( 1 3 ) 其中 g ( 工) = e x p 一r 一仂出。】 这里口和口分别是电子和空穴的电离系数。在电场强度e 为 2 4 1 0 5 矿c m 一5 3 1 0 5 矿跏，环境温度为于2 2 。c 的情况下，口和卢分别为“” i 口= 6 2 1 0 5 e x p 一( 1 0 5 1 0 6 + 1 3 1 0 3 r ) e = 2 o x l 0 6e x p 卜( 1 9 5 1 0 6 + 1 1 1 0 3 r ) e ( 1 4 ) 从上面雪崩增益的表达式可以看出，雪崩增益是环境温度和偏压的函 数。由于量子效率和雪崩增益因子均是温度和偏压的函数，所以a p d 的响 应度随温度变化比较大。若想保持恒定的响应度可以从两个方面入手：除 了保持环境温度和偏置电压都固定不变，还可以通过使偏压随温度变化按 一定的比例改变来维持恒定增益。 光子探测效率定义为量子效率同雪崩触发几率之积“。量子效率与探测 器的结构和器件抗反射膜设计的优劣有关，而雪崩触发几率不仅取决于探测 器结构还与a p d 工作时偏压的大小场有关。一定温度下时，偏压越大结区 电场越高，载流子触发雪崩的几率就越大，但同时也增大了非光子触发雪崩 的几率( 即暗计数) 。如分离吸收倍增i n g a a s a p d 其光子探测效率主要取决 第一章绪论 于四个因素“： 光纤同a p d 有源区的耦合效率； 光子在i n g a a s 层被吸收的概率； 光生载流子在倍增区成功触发一次雪崩的概率； 一定温度下a p d 的偏置电压： 而宏观光子探测效率指被探测到的光子数比上入射总光子数，即光子成 功触发一次雪崩并被探测到的平均概率。 时间分辨率指光生载流子穿越吸牧区进入倍增区的时间，与a p d 的结构 和结区场强大小有关，增大过电压( 助一嘲能在一定程度上提高时间分辨率 2 0 o 在单光子探测电路中，由于非光子脉冲触发引起的计数称为暗计数，暗 计数是影响单光子探测器性能的最主要因素。暗计数表征了探测器内部噪声 源，其主要来源于热激发、隧道贯穿和后脉冲。 由于热激发，少数电子从价带跃迁到导带，同时在价带中产生空穴，这 些电子空穴经雪崩倍增后，产生暗计数； 隧道贯穿指吸收区载流子通过隧道效应进入倍增区，在高电场作用下也 可能触发雪崩，增加暗计数率； 后脉冲指在雪崩过程中被结区杂质缺陷捕获的少数载流子在初始雪崩 结束后延迟片刻又被释放出来，这些释放后的载流子在高压电场下也能再次 触发雪崩，引起脉冲的重复计数。这个延迟时间取决于捕获载流子的寿命且 与温度有关，温度越低寿命越长。此外，雪崩过程中被捕获的载流子数随渡 越结区的总电荷数的增加而增加，因此，雪崩持续时间不宜过长。 1 5 红外单光子探测器s p a d s 的工作模式 在“盖格”模式下，为了避免长时间雪崩造成a p d 的永久击穿和减小噪 声，通常是将雪崩时的a p d 两端电压迅速降低到击穿电压以下来抑制雪 崩，这个时间为称为抑制时间。为了探测下个光子信号，a p d 两端电压又必 须重新恢复到击穿电压以上，这个从抑制完毕到恢复到原工作电压的时间称 广东工业太学硕士学位论文 为恢复时间。因此，为了探测到单个光子信号，在对s p a d s 外围电路的设计 上必须满足下述条件“”： 能迅速检测到雪崩电流上升沿； 产生一个与雪崩信号同步的标准脉冲输出； 雪崩开始后，迅速降低a p d 两端电压到雪崩电压以下来抑制雪崩； 为探测下一个光子，a p d