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为了缩短单光子探测器工作的死时间,提高单光子计数率,在分析单光子探测器被动抑制工作模式的基础上,针对硅雪崩光电二极管的工作特点,实验设计了精密快速的抑制电路,用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复,实施了主动淬灭与快恢复相结合的全主动抑制技术。结果表明,该技术使探测器工作在更加安全高效的全主动抑制模式下,最后实验测得探测器总的死时间由原被动抑制模式下大于2ms缩短至120ns,单光子计数率由被动模式下低于1MHz上升到8MHz以上,从而达到了提高计数率的目的,满足一些单光子高效检测和计数的需要。
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Vol.43,No.5
May2006
第
43
卷,第
5
期
2006
年
5
月
L
激光与光电子学进展
aser&OptoelectronicsProgress
光电子器件与技术
收稿日期
: 2006-01-12
;收到修改稿日期:
2006-02-17
基金项目
:
上海市重点学科项目、国家“
973
”计划资助项目
(001CB309301)
作者简介
:
权菊香
(1979~)
,女,山东菏泽人,华东师范大学物理系光学
2003
级在读硕士研究生,研究方向为量子信息及灵敏光电
子技术。
导师简介
:
丁良恩
(1949~)
,华东师范大学物理系教授、博导。主要研究领域为超快激光技术、量子光学和信息学。
摘 要 为了缩短单光子探测器工作的死时间,提高单光子计数率,在 分析单光子探测器被动抑制工作模式的基础上,针
对硅雪崩光电二极管的工作特点,实验设计了精密快速的抑制电路,用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复,实施了主动
淬灭与快恢复相结合的全主动抑制技术。结果表明,该技术使探测器工作在更加安全高效的全主动抑制模式下,最后实验
测得探测器总的死时间由原被动抑制模式下大于
2
m
s
缩短至
120ns,
单光子计数率由被动模式下低于
1MHz
上升到
8MHz
以上,从而达到了提高计数率的目的,满足一些单光子高效检测和计数的需要。
关键词 光电探测;主 动抑制技术;主 动淬灭与快恢复;雪崩光电二极管
中图分类号:
O572.21+2
SinglePhotonDetectorofSi-APDwithActiveTechnology
QUANJuxiang ZHANGDongsheng DINGLiang忆en
(KeyLaboratoryofOpticsandMagneticResonanceSpectroscopy
,
EastChinaNormalUniversity
,
Shanghai 200062)
Abstract
Inordertoreducethedeadtimeandenhancethecountingrateofsinglephotondetector
,
aflexibleand
chronometricalcircuitwhichcontrolsquenchingavanlanchandrestoringvoltageisdesignedonthebasisofthepassive
modeofthedetector.Thecircuitrealizesactivetechnologywithactivequenchingandfastrestoring.Thedetectorcan
worksafelyandeffectivelyintheactivemode.Theexperimentresultsobtainedshowthatthedeadtimeofdetectoris
about120nsandthecountingrateisgreaterthan8MHz
,
whichsatisfytheneedofhigh-speedphotondetector.
Keywords photoelectronicdetection
;
activetechnology
;
activequenchingandfastrestoring
;
avalanchephotondiode
Si-APD 单光子探测器的全主动抑制技术
权菊香张东升丁良恩
(
华东师范大学教育部光谱学与波谱学重点实验室,上海
200062)
1
引言
单光子探测技术已被广泛应
用于光学统计测量、传感与遥感、
高能物理以及量子保密通讯等领
域
[1~6]
,因此对该技术的研究成为灵
敏光电检测的重要课题之一。
Si
雪
崩光电二极管
(AvalanchePhoton-
diode
,
APD)
因具有量子效率高、高
增益、覆盖可见光区域等优点
[7~10]
,
常作为单光子探测的核心器件。在
进行单光子探测中,
APD
常工作在
盖革模式下
(
工作电压高于其雪崩
电压
)
,在该模式下工作的
APD
其
雪崩发生后不能自然停止,为 保 证
APD
不被损坏,必须采取措施迅速
淬灭雪崩,并且在淬灭完成后,还
要使
APD
尽快恢复到等待状态,
为探测下一个光子做好准备。所以
单光子探测器要采取相应的抑制
技术来控制雪崩淬灭和
APD
两端
电压恢复,常用的有被动抑制和主
动抑制
[7~12]
。在 被动抑制模式下,
APD
接收到一个光子,产生雪崩脉冲后,
存在一段很长的对光子不响应的死
时间,使两次雪崩之间时间间隔过
长,造成远低于
1MHz
的光子计数
率。主动抑制又分为混合抑制和全
主动抑制
[11~12]
,其中全主动抑制技术
对雪崩淬灭和电压恢复都采取了主
动控制,从而能获得短的死时间和
高的计数率,被认为是最理想的高
效单光子探测抑制技术
[6~9
,
11]
。
为提高单光子探测器计数率,曾
采取过被动
-
主动混合抑制技术
[11]
。
该技术中电压恢复是主动的,雪崩
淬灭是被动的。在 被动淬灭后快速
实施电压恢复,可能会引起
APD
的重触发,造成计数错误,因此被
动淬灭所占用的时间成为提高计
数速率的瓶颈。本文在分析
Si-
APD
被动工作模式的基础上,提 出
了 一 种新的全主动抑制技术。与原
43
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