单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度特性研究.doc

华南理工大学硕士学位论文单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度特性研究姓名：黄静申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：冯金垣20040214////////////////////////////////////////单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度特性研究作者：黄静学位授予单位：华南理工大学 相似文献(10条)1.学位论文 吕华 雪崩光电二极管APD的特性与单光子探测研究 2005 量子通信是当今世界非常热门的一门前沿信息科学技术，它是密码学和量子力学相结合的产物，它的安全性由量子力学基本原理测不准原理和单量子态不可克隆定理所保证，因而越来越受到人们的重视。量子通信的基本要素主要包括单光子源、量子编码与量子信息的传输、单光子探测技术。1550nm是光通信和量子通信的第三通信窗口，所以工作在1550nm波长和较高温度下，用于光子计数的商用InGaAs/InP雪崩光电二极管在多个领域，尤其是在量子通信领域的应用，受到了特别的关注。目前探测单光子的理想器件为工作在盖革模式的雪崩光电二极管。在盖革模式中，APD被脉冲偏置在高于雪崩电压的工作点，一旦有光子或热生成的载流子到达触发雪崩，就在电路中产生电流。电流脉冲的上升时间标志着光子的到达时间。为了保证器件的安全工作，要求APD能自动终止雪崩，因此，要使用适当的外电路，无源或有源抑制电路来熄灭雪崩和恢复APD的偏置电压。本文对红外单光子探测技术进行了研究。首先介绍了光通信中常用的各种光电探测器的工作原理及结构特点，分析了它们各自的优缺点。其次，用无源抑制方式对单光子探测中常用的探测器件雪崩光电二极管(APD)进行了电流及倍增特性研究，提出了一种利用无源抑制方法确定APD的暗电流雪崩电压的新方法，并测定了各种APD的雪崩电压参数。介绍了APD单光子探测器及其工作方式，在此基础上设计出一种带门模式控制的无源-有源抑制集成电路，并提出了一种门控设计方案。对原来开发的水冷制冷腔进行了改进，设计出两套风冷制冷腔，为提高探测器系统的实用性和集成度作了充分的准备。对市售的雪崩光电二极管进行特性分析，为驱动电路设计提供了基础数据，有利于更好的确定单光子探测方案。同时，新开发的单光子探测外围集成电路及风冷制冷腔为提高探测器的安全性和灵敏度，实现器件的小型化创造了条件。光电二极管2.期刊论文 韩宇宏.杨树.马海强.HAN Yu-hong.YANG Shu.MA Hai-qiang 量子通信中单光子探测器的实验研究 -应用光学2010,31(2) 为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%10(-6)/ns.3.学位论文 韦啸 恒温控制下的硅雪崩光电二极管单光子探测器的研制 2005 量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科，由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景，近年来得到了广泛的注意和发展，量子通信是量子信息学中发展最快的一个方向。 本文对恒温控制下的硅雪崩光电二极管单光子探测器的研制进行了研究。文章采用有源抑制淬灭(QUENCH)电路，不仅降低了硅光电雪崩二极管自由放电恢复的死时间，大幅改善了探测频率，而且对雪崩输出信号的整形也提高了电路的整体电器性能，单路的晃动达到了400ps。同时电子学系统还有效的抑制了硅光电雪崩二极管单光子探测中常见的After-Pulse的现象。通过对两路信号晃动的测量，测得符合信号最大时间差为2ns，满足符合门的要求。4.期刊论文 郭健平.廖常俊.王金东.魏正军.刘颂豪.Guo Jianping.Liao Changjun.Wang Jindong.WEI Zhengjun.LIU Songhao 用InGaAs/InP APD的红外单光子探测技术 -激光与光电子学进展2005,42(6) 由于在量子信息技术特别是量子密钥分配系统中的应用,以InGaAs/InP雪崩二极管为基础的红外单光子探测技术,近年来成为研究的热点之一.主要介绍了单光子探测用InGaAs/InP APD的选择和实现红外单光子探测器的关键技术:半导体制冷精密温控技术和APD的驱动控制技术,重点介绍了门控电路.5.学位论文 彭建 量子通信实验系统中若干关键问题的研究 2009 量子通信是量子论与信息论相结合的产物，也是通信与信息领域研究的热点前沿。按量子通信的载体来分，可分为基于分立变量的量子通信和基于连续变量的量子通信两大类。在分立变量量子通信中，基于光纤的单光子量子密钥分配已率先走向实用化。连续变量量子通信正成为目前的研究热点，且取得了许多重要成果。 本论文的第二章对量子通信中所涉及到的量子力学的基本概念和原理做出简单的概述，其中包括量子比特、态迭加原理，测不准原理、量子态不可克隆定理、量子力学中的纠缠等。 第三章对基于光纤的单光子量子密钥分配实验系统中的有关问题进行了研究。首先阐述了量子密钥分配中的BB84、B92及Ekert91等三个基本协议的偏振编码与相位编码的工作过程。其次介绍基于光纤的“PlugandPlay”单光子通信实验系统。然后对其中的关键器件的工作特性和系统工作时序进行了论述，提出了系统工作电路的有关参数。安全性和码率是量子密钥分配系统中始终必须关注的两个重要问题。对于目前存在的几种EVe攻击策略进行了讨论。最后指出量子密钥分配系统的安全性不仅依赖于量子力学的基本原理，还依赖于具体的技术手段。 第四章论述了量子密钥分配实验系统中的单光子探测器的有关问题。由于目前的单光子探测器必须采用“Geiger”工作模式，为了降低误计数，就必须设置长达几微秒的不工作的“死时间”，因而从根本上限制了系统密钥分配的码率。本文提出了一种采用多端口分束器与多雪崩二极管(APD)结合构成快速单光子探测器的新方法。这种探测器的每一端口均配置有APD，各端口时分工作，通过时钟信号与逻辑判决电路，将依次输入各端口的单光子脉冲信号依次转换为电信号输出并计数。应用这种单光子探测器可以提高单光子探测器的探测速率，进而提高量子密钥分配的码率。在未来可将分束器、光开关、控制电路甚至APD进行光电子集成构成快速单光子探测器模块。 由于上述的快速单光子探测器可以对脉冲包含的光子进行计数，因而我们提出了对Eve攻击的物理检测的新方法。如果Eve采用“PNS”攻击，将引起平均光子数的改变；如果采用“截收-重发”攻击，则会扰动光子数的泊松分布。 第五章则重点论述了用于连续变量量子通信的光孤子脉冲源的研制的有关问题。以Cr4+:YAG晶体作为工作物质的飞秒脉冲激光器能产生光纤通信波段的具有强相干性能的激光以满足连续变量量子通信的需要。 Cr4+:YAG是一种Kerr介质，其对光脉冲时域内的自相位调制(SPM)和腔内负群速度色散(N-GVD)效应达到平衡时，将会产生孤子锁模，输出几十飞秒的光孤子脉冲。半导体可饱和吸收镜(SESAM)起到了启动这种过程并且稳定光孤子脉冲的作用，但其弛豫时间的长短对光孤子脉冲的宽度并无多大影响。对1520nm波段的SESAM的结构进行了初步设计。也论述了激光晶体正色散的产生机制。在采用Sellmeier公式对熔融石英材料的各阶色散值进行数值计算的基础上，得出了棱镜对色散补偿的公式。 依据理论分析和数值计算对Cr4+:YAG飞秒脉冲激光器光路结构的优化设计进行了研究。提出了在腔内插入一薄聚焦透镜代替另一折叠镜以降低光路复杂性。为研究起色散补偿作用的棱镜对对腔的稳定性和像散带来的影响，导出了棱镜对的光传输矩阵。通过编程计算得出了连续运转和锁模运转两种工作方式下的不同参数的谐振腔稳区图，对激光器工作点的选择做出了论述。定义了像散补偿失配因子F，做出了像散补偿区域分布图。指出F0.05的区域具有良好的像散补偿特性，也是激光器光路结构参数设计必须要考虑的重要方面。论证了改变泵浦光聚焦透镜的位置可实现泵浦光与腔内振荡光的匹配。6.学位论文 侯颖 量子点共振隧穿二极管的单光子探测实验和理论研究 2009 单光子探测器在生物医学、红外成像和未来的量子通信领域有广泛应用。本论文的主要目标是单光子探测器的研究。不同于传统的基于雪崩光电二极管和光电倍增管的单光子探测器，本论文所研制的单光子探测器是基于量子点共振隧穿二极管的单光子探测器。本论文分为两部分，分别从实验和理论模拟的角度阐述单光子器件的制备和电学、光电特性结果。 首先是从实验角度阐述单光子探测器的制备，其中主要介绍了空气桥器件结构的制备。此为单光子器件制程的最大难点所在。因为要确保对单光子或少量光子的探测，器件有源区必须小至接近亚微米量级，更兼考虑到通光和电极引线的需要，在此选择空气桥而不是台面结构就成为必要。 本论文的工作从单纯的共振隧穿二极管空气桥结构的制备开始，然后将之推广到带有量子点的单光子探测器。因为走通了共振隧穿二极管的空气桥结构意味着单光子探测器的制程工艺的走通。在本论文具体工艺实验中，应用了选择性和非选择性化学腐蚀，再结合一定的半导体工艺步骤，成功制得了空气桥结构器件，并将之推广到了带量子点的共振隧穿二极管结构。在器件制备完成基础上，也进行了相应的电光学测量。在对共振隧穿二极管的测量中，通过外加串并联电阻，阐明了串并联电阻对于器件电流电压曲线的影响。具体为：串联电阻使共振隧穿二极管的负阻区电流峰值所对应的电压值移向更高电压，而且使电压来回扫描所形成的双稳态回线的跨度更大。同时，外加并联电阻使得负阻区峰谷电流的峰谷比降低。 完成了共振隧穿二极管的器件制备和电学测量实验后，我们在原有材料基础上生长了InAs量子点层和GaAs光吸收层，即形成了一个单光子探测器。不同于上次对于共振隧穿二极管的电学测量，此次为了更好的比对量子点的充放电特性，我们在进行传统电流电压曲线测量前，对器件有短时充电，并且变换充电电压。从测量后的电流电压曲线上可以看到在原来负阻区电流峰的靠近低电压一侧还出现了另一个小的电流峰，且该电流峰对充电电压条件的变化敏感。 理论部分从理论模拟的角度对上述共振隧穿二极管和量子点共振隧穿二极管的实验电学测量结果进行了模拟。对共振隧穿二极管应用了一维平面波的模拟方法，具体为联立薛定谔方程与泊松方程自洽求解，并利用有限元方法求解，即利用波函数及其一阶导数在子层边界的连续性条件用转移矩阵的方法求之。模拟所得的结果曲线证实我们的实验结果，即本征的共振隧穿二极管的电流电压曲线的负阻区电流峰值对应的电压值要远远小于实验的量测值。这种差别正是来自串联电阻的贡献，当然串联电阻也促使了电压来回扫描所形成的双稳态回线的跨度更大。对并联电阻的分析也证实了实验所示的使得负阻区峰谷电流的峰谷比降低的效应。接着应用三维波包模式，本论文工作继续模拟了载流子在量子点共振隧穿二极管中的传输情况。对于此器件的模拟显示，光生空穴被嵌入GaAs层中的InAs量子点俘获后产生的三维长程库仑势对周围势能的分布产生了强影响，它使原来在一定外加偏压下处于准共振态的共振隧穿二极管达到了共振态，引发共振隧穿电流，说明了此器件单光子探测的基本原理。 木论文完成后的后续工作是继续从实验和理论的角度进行光响应的研究。希望在不同充电和光照条件下得到不同的光响应曲线。同时也希望优化器件的材料及工艺参数，得到阶梯状的时间光响应曲线，实现单光子探测。未来的另一项工作是，希望能够在单光子单元器件基础上，制备一维至两维的阵列级单光子探测器，并希望它能在生物技术和弱光探测方面有初步应用。关键词：单光子探测，共振隧穿二极管，InAs量子点，量子点共振隧穿二极管，空气桥，串联电阻，并联电阻，峰谷比，一维平面波，三维波包，高斯波包7.期刊论文 冯雪冬.彭建.刘全龙.于丽.杨伯君.FENG Xue-dong.PENG Jian.LIUQuan-long.YU Li.YANG Bo-jun 红外波段单光子探测器及其在量子通信领域中的应用 -光子技术2006,(2) 本文简要介绍了红外波段单光子探测器的种类,分析了InGaAs/InP雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)与超快超导单光子探测器(SSPD)的相关性能,并概述了二者在量子通信中的应用.8.学位论文 黄宇娴 提高量子保密通信安全性的研究 2009 本论文围绕量子保密系统展开，在充分讨论光源、探测器、差分编码的基础上，设计实验：在差分密钥分配通信系统中，嵌入时分复用单光子探测装置，在每次量子密钥分配的同时计量发信者(Alice)用于密钥分配的单脉冲平均光子数，确保通信的安全程度。实现了90km稳定的量子保密通信，误码率约为4，有很好的实用价值。 本论文各章的主要研究目的及讨论结果如下： 1.论述目前信息安全形势的严峻性以及经典密码通信的特点，引出量子保密通信研究的重要性及迫切性；最后重着点出本论文的主要工作和价值； 2.介绍量子保密通信基本概念，包括其特点、安全性以及密钥分发过程，阐述量子密码术的发展成果及限制； 3.分析量子通信的几种光源，指出目前量子保密通信一般用脉冲功率和单光子能量来估算和调整脉冲的平均光子数，不能确保单光子发射，存在分光子攻击和分束攻击的威胁，安全性得不到保证； 4.分析常用的单光子探测器，重点介绍雪崩光电二极管和时分复用光子探测器；由于时分复用光子探测器可以测量脉冲串的平均光子数分布，如果把时分复用光子探测器应用于量子保密通信系统，可以测定光源的单光子程度，为系统的安全性提供可靠保障； 5.讨论本实验使用的差分编码方案，包括其原理、优点，并通过分析几种典型攻击方案说明其安全性；差分编码密钥生成率高，传输距离长，可有效提高系统抵御分光子攻击的能力，其系统的安全性及有效通信的距离与光源平均光子数u密切相关； 6.交代本论文的实验工作和创造性成果，本实验在差分通信系统中，嵌入时分复用光子探测装置，充分利用两个延迟环的时分作用，在每次量子密钥分配过程中同时计量发信者(Alice)发送的平均光子数，确保通信的安全程度；实验上实现了稳定的密钥分配和文档传输，与以往的方案相对照，安全性稳定性好，成码效率高，有很好实用价值。9.期刊论文 彭建.冯雪冬.杨伯君.于丽.PENG Jian.FENG Xue-dong.YANG Bo-jun.YU Li 量子通信中SAGM型单光子探测器性能分析 -半导体技术2006,31(11) 分析了InGaAs/InP光电雪崩二极管(SAGM-APD)在红外电信波段应用中的优良特性,阐述了在实际应用中一些关键参数和设计制造中的一些重要问题.在8001700 nm波段,为了实现单光子探测,SAGM-APD应采用盖格工作模式并且论述了其中面临的一些问题.论述了量子保密通信中的门模抑制电路的工作原理及其工作过程中采用符合电路消除暂态信号的方法.10.学位论文 魏正军 红外单光子探测器的研究 2008 随着信息时代的到来，人们对通信保密的要求越来越高。现有的保密方式虽然已经比较安全，但是随着计算机技术的发展，其破译难度也越来越低。一种能够彻底防范第三者窃听的技术，已经越来越成为军事、外交、商贸等领域的迫切需要。量子保密通信是密码学和量子力学相结合的产物，它的安全性由量子力学基本原理-测不准原理和单量子态不可克隆定理所保证，因而越来越受到人们的重视。量子通信的关键技术之一就是红外(1310nm、1550nm)单光子探测技术。这是因为光量子密钥传输是采用单个光子来实现的，1310nm和1550nm波段是现在所使用的光纤通信中损耗最小的窗口，现有成熟的单光子探测器工作波长都是在可见光波段，而红外光子因为能量小，信号非常微弱，极易被噪声淹没，因而非常难探测到。因此实用的红外单光子探测器的研制成为量子保密通信的关键性