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APD光子探测器
1144 乃扔 29苍 霍:0 1 400 1:0 EE 400 12 vs。 above breakdown H以四Kt 图3APD雪崩信号与工作电压的关系C8-lpF 图6雪信号高度分析图(△=1,4v) Fig-3 Height of avalanche pulses v, voltage Fig. 6 Distribution of avalanche pulse ahove hreakdown (Cs=lPF) ght(△V=1.4VJ 载流子的随机过程,另一是每一个光生载 流子碰撞电离产生二次载流子的随机过程,每个 载流子具有不同的雪增益,这就产生了附加嗓 音用过剩噪音因子F表示倍增噪音、它取决于 雪崩增益、注入或产牛光电流的部位以及空穴电 离系数a与电子电离系数a之比: 电 离系数的定义是:一个载流子在电场作用下漂移 v动哈_kD 单位距离所碰撞电离产生的电子-空穴对数目 图4APD雪蔚信号与工作电压的关系(Cg=1pF) 用M表示雪崩增益,为无倍增光电流(信 Fig 4 Height of avalanche pulses v voltage 号),I为噪音电流,可写出9 above breakdown (Ca=100pF 〈F2>=2elM)2F (2) 41 式中a2为增益的均方差,即 a2=(M〉-(M 3) 于是电子碰撞电离决定的过剩噪音因子为 F。=Mn{1-[(1-k)M1-1)2M}(4) 空穴碰撞电离决定的过剩噪音因子为 Fp=M2{1[(1-1/e)(M-1)2M]}(5) 动bobm 图5APD暗计数与工作电压的关系 式中M2和M1分别为电子和空穴的倍增因子 Fig5 Dark counts v, voltage above breakdown 对于高增益的情况(M很大),当有两种载流 从图6(使用了具有鉴别窗的EG& G PARO子等同的参与倍增时k=1,F=M(其中F=F或 1112型鉴别计数器)可看出在鉴别电平典型值以F,M=Mn或M).而只有一种我流子参川时a 上,暗计数为100~500次/秒与PMI的典型暗或a等于0,相应的F=2.而通常光电倍增管的 计数20~100次/秒相比较大·但APD的特性曲噪音因子约为1,所以AP的噪音通常大于 线的谷底的相对高度比PMT的对应部分低很多,PMT的噪音,这与实验结果相符合,目前已提出 如图所示,取鉴别电平为8mV时,绝大部分噪音噪音小于PMT的阶梯带隙结构的APD 引起的计数率能被排除.这一点未见报道APD 虽然APD的平均噪音大于PMT,但是图6 的嗓音大反而存在一个相对很低的谷底、其理论却显示APD的大部分噪音峰远低于光子探测峰 解释可以描述如下·雪崩管中的噪音主要分网这是因为:APD是光伏型探测器,利用的是内光 种:不参与倍增的暗电流和因倍增而产生的倍增电效应中的光伏效应;而PMT是光电发射型探 噪音,倍增噪音又有两种情况·其一是器件内部测器,利用的是外光电效应中的光电发射效应、 的部分暗电流参与倍增,其二是由于雪劇倍增过APD中的暗电流、热微发等噪音载流子在其能量 程的随机起伏而造成的倍增噪音·在APD探测低于电离阚值时就不能引起雪崩效应,所以不会 光了时存在两个随机过程,一是由光子激励出光被放大,图6中谷底处对应的便是这种情况 12期 梁创等,硅雪崩光电二极管单光子探测器 145 前PMT中的噪音电子通常能在下一级打拿极卜准备好进行下一次光子探测比较器的参考电压 产生一个或多个电子,即噪音被放大,所以PMTV就相当于前面无源抑制中的鉴别电平,比较器 对应的特性茁线中的谷底远高于图6的.这一特的输出即可作为输出信号(TTL)这个电路的死 性的实际应用价值在于能用鉴别器将APD的大时间由比较器、延时片子等器件决定,抑制时间 部分噪音和光子信号清晰地区分开.可以预见,由延时片延时与比较器正负输出端延时差决定 利用阶梯带隙结构的APD加上这一特性,其单它越短通过APD雪崩区的载流子个数越少,被 光子探测性能就会远优于PMT并且PMT还有杂质捕陷的个数就越少,如同无源抑制时一样, 由光电发射效应决定的探测波长范围窄的缺陷 我们将电路板置于杜瓦瓶真空夹层外壁内侧 实验选用的EGGC3902S型APD是一种APD定在冷端上制成了有源抑制光子操测器 低噪音、拉通型结构的APD,因而观测到了与 我们在-13.7~+21.1C以及液氮温度下分 述理论相符合的现象,总之,我们用硅APD制作别检测了所制作的有源抑制光探测器的死时间 了性能可靠的单光子探测装置.它的单光f脉冲暗计数、雪崩电压等特性 宽度为20ns,死时间为1S最大计数率可以达到 图8为 tektronix520A型500MHz数 MHz暗计数为100~500次/秒 字示波器上记录的雪崩脉冲波形,一个雪崩脉冲 2有源抑制 过后约60ms出现很多雪崩脉冲.可以看出,我们 所制作的有抑制单光子探测脉冲宽度为20ns, 我们将无源抑制扩展为有源抑制,获得了更死时间大约为75~80ns、在以上所述实验中电路 短的死时间、更小的暗计数和更高的计数率.有板处温度约为0℃,我们还曾将电路板置于22C 源抑制方式中APD产生电脉冲信号的过程与无下进行单光子探测,发现脉宽大大增加达到 源抑制相同,所不同的是在有源抑制电路中通过60ns,死时间也相应增大为150ns,所以实际应用 外田电路迅速抑制雪崩并将APD恢复到等待状时,适当降低有源抑制电路工作温度对提高整个 态以使它能探测下一个光子·从而大大降低了死探测器性能大有帮助.进一步观测暗计数与温 时间,我们所用的有源抑制电路如图7所示 度、ΔV的关系,发现液氮温度下工作电压Vd刚 刚等于雪崩电压v的情况下〔液氮温度下Vb为 111.2V,-12℃时为211.3V,18C下为233.2V) 暗计数约为1~20 counts/s,-12C时暗计数为 50左右,18℃下暗计数为250左右,比无源抑制 方式下要小.同无源抑制方式一样,暗计数随工 作电压超过雪崩电压值的增加而很快加大,随 APD工作温度的降低而大幅度减少,所以实际选 取工作点应兼顾到这两种关系 图9为APD在不同工作环境温度条件下我 图7有源抑制屯路原理图 Fig 7 Schematic diagram of an actively quenched APD circuit 雪崩发生时比较器的正输入端电压下降,当 这个电压低于设定的Vr时比较器的负输出端翻 转(由低电平转为高电平)导遥抑制晶体管 2S:3355使得APD上的电压降低以抑制雪崩 这时Z2反向截止将APD与比较器的止输入端隔 离开来.比较器的正输出端电平的负跳变通过 个延时片DS1000导通晶体管2N2907A使得比 较器的正输入端电平回升到雪崩发生前的水平 命cwv 图8形擦测输出脉冲波形(V=27V 两个晶体管回路截止·雪崩抑制过程完,电路Fg8 Waveforms at the detector outpu(△v=2V) 1146 定 9卷 TTTT 以郦c4434044最 图9各种温度卜计数率与△V的关系 g pIt bove breakdow at varous temperatures 图10Gae方或有源抑制电路原理 们所制作的有源抑制探测器的工作情况.三条曲 Fig. 10 Sche ted act 线分别为液氮温度、-12℃、18C情况下计数率制APD单光子探测器的参量为:半导体制冷 (非完全暗室条件)与△V的关系曲线·可以看50℃时、死时间60ns,脉冲宽度15ns,暗噪音 出,温度越低在相同的增益下计数率越大、即量20 counts/s左右,抑制脉冲幅度为]ⅴ左右·暗 子效率越高 噪音偏大的原因是为了我们量子密码通信实验的 与无源抑制方式相比,有源抑制提高了探测方便使用了普通的带尾纤APD(EG&G 器的反应速度和量子效率同时减少了暗噪音C30902EQC02),且电路元器件工作在室温下 使用更高性能的电子元器件,会获得更好的性能 参量·同时改变电路结构设计也可以进一步改善3结论 功能和特性 我们分别制作了无源、有源抑制的雪崩光电 另外·给APD加门限电平也是一种有源抑二极管单光子探测器并检测了它在不同温度下 制方式、在需要控制探测器探测时间的情况下,的工作特性.针对所观测到的新现象作出了合理 这种方式更为有用·如图10所示,抑制延迟时间的理论分析,获得(工作于液氮温度)的APD探 为10ns.这样便可以通过计算机程序来控制S1测器典型参数为:无源抑制情况下死时间为1s, 的值使模拟开关74FC4053选择APD网端的电暗计数为几百每秒;有深抑制情况下死时间为60 压差:当希望探测器响应光信号的时刻,增大80ns,平均暗计数为100次/秒.APD在近红外 APD两端的电压差,使之超过雪崩电压值:而不波段量子效率远高于PMT,并且它的工作电压远 希望探测器探测光子时,减小APD两端的电压低于PMT,作稳定、响应快这项研究对于量 差,使之低于雪崩电压值 子光学等需要单光子检测的实验具有较重要意 全部选用帖片元件制成的Gae方式有源抑义,填补了国内近红外波段单光子探测器的空白 参考文献 1[美] sang w t编,社宝勤等译,江剑平校.半导体光检测器,北京:电子工业出版社、清华大学出版社,1992:1 332 2 Brown RG W,Ridley K D, Rarity J G. Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements 1: Passive quenching. Applied Optics,1986,25(22):4122-4126 3 Graysan T P, Wang L J 400ps time resolution with a passively quenched avalanche photodiode, Applied Optics, 1993 32(16):2907~2910 4 Owens PC M, Rarity J G, Tapster P R, Knight D, Townsend P D. Phaton counting with passively quenched germanium avalanche diodes applied Optics, 1994,33(30):6895-6901 5 Cova S, Longoni A, Andreoni A. Towards picosecond resolution with single-photon avalanche diodes. Rey Sci Instru;1981,52(3):408~412 12 期 梁刨等,硅雪崩光电极管单火子探测器 1147 6 Cova S.J. ongani A, RlpamontI G. Active-quenching and gating circuits for single-phaton avalanche diodes ()s IEEE Transactions on Nuclear Srience. 1982. NS-99(1):599-6l 7 Brown RG W,Jones R, Rarity G, Ridtey K D Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon corrclation measurements 2: Active quenching, Applied Optice, 1987,26(12): 2383-2389 8 RCA Data Sheet, C309v2S Silicon Avalanche Photodiodes,January 1991 9 McIntyre R I Multilication noise in uniforn avalanche diodes. IEEE Trans, Electron devices,1960>: 1G4 168 10 Capasson F New device applications of bandedge discontinuities in multilayer heterojunction structures. Surface Sciencs,1983、l32(2);527~539 PERFORMANCE OF A SILICON AVALANCHE DIODE AS A SINGLE PHOTON DETECTOR Liang Chuang, Liao Jing. Liang bing. Wul Lingan Laboratory of Opticut Physics, Institute of Physics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080 Received date: 2000-04-10 Abstract Silicon avalanche photodiodes operating in the geiger mode are capable of detecting single photon in the near infrared regime. It is designed and tested two ty pes of quenching circuit, with a dead time of about lus in the passive quenching made and 60 80ns in the active quenching made ti output pulse width is about 20ns. The performance of the detector under various operating temperatures has been investigated down to liquid nitrogen temperatures, and a new observation is Keywords Avalanche photodiode Quenching Geiger made i Single photon detection Liang chu A China,1976.H d the b s Degree at Tsinghua University in 1993, and is currently studying for the M. s. de Hi h project is quantum key distribu d involves quantum optics, cryptography, electronics. optronics and fiber

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