基于InGaAs/InP低噪声GHz单光子探测器研究(特邀)

InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)体积小、功耗低、响应速度快,被广泛应用于近红外单光子检测。文中分析了APD雪崩及噪声信号的频谱分布特征,提出了正弦门控结合低通滤波级联方案,噪声抑制比超过40 dB,实现了1～2 GHz高性能探测。当工作速率为1.5 GHz,探测效率设置为20.0%时,后脉冲概率为6.6%,暗计数率仅为6.7×10^-7/gate。此外,集成了APD高速门控产生及延时调节模块,温度反馈稳定控制模块,实现了单光子探测器12 h稳定运行,计数标准差仅为1.0%。最后,为了更完整的描述探测器的量子特征,引入量子探测器层析技术进行标定,重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数,为其在量子通信、量子计算等量子信息技术的应用中提供支撑。     

高速近红外InGaAs/InP单光子探测器设计

量子信息技术的研究中大量采用单光子作为量子 信息的载体,因此单光子探测技术成为近来研究的 热点。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器(SPD)工作频率较低 且无法连续可 调。高速门控模式下,APD的容性效应会带来较强的尖峰噪声将光生雪崩信号湮没,导致探 测器的探测效 率也相对较低。为了提高单光子探测器的工作频率,降低后脉冲概率,设计了基于高速正弦 门控技术的 InGaAs/InP雪崩光电二极管淬灭-重置电路。为了抑制强大的背景噪声提高探测效率,设 计了双APD平衡 方案来提取有效雪崩信号。实验结果表明:设计的探测器工作频率连续可调;在－ 50℃、1～1.3GHz门控频率 条件下,最光子大探测效率为35%,暗计数率为4.2×10 －5/gate。探测效率为18%时 ,暗计数率仅为5.6×10－6/gate,后脉冲概率均低于5×10－6/ns。     

基于APD-PIN结电容平衡电路的门控单光子探测器

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于610-6/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。     

近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和体积大的不足,设计了基于 InGaAs／InP 雪崩光电二极管（APD）的便携式单光子探测器,给出了探测器温控模块和偏置电压源的设计电路,门控信号的产生和雪崩信号的提取由 FPGA 完成。实验结果表明：在200 MHz 门控条件且制冷温度为－55℃时,探测器的最大光子探测效率（PDE）约为16％,当探测效率为12％时,暗计数率（DCR）约为8．2×10－6／ns。     

基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明:在200 MHz门控条件且制冷温度为-55℃时,探测器的最大光子探测效率(PDE)约为20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

InP基自由运行模式单光子APD

基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管探测器工作响应波段范围0.9~1.67 μm,在盖革模式下探测效率较高,具有单光子量级的灵敏度,通过配置不同的偏置电路,可工作在门控和自由运行模式。目前主要采用门控模式的工作方式,门控模式可应用于光子到来时间已知的量子密钥分发。在激光测距、激光雷达成像等应用中当光子到达时间是未知的条件下,器件需工作在自由运行模式下。通过内部集成或片上集成自淬灭器件,探测器本身具有自淬灭或自恢复功能,无需外部淬灭电路,可工作在自由运行模式,大大拓展了InGaAs/InP单光子探测器的应用领域,同时对制备单光子探测器阵列具有优势。另外,采用InGaAs/GaAsSbⅡ类超晶格材料作为雪崩二极管的吸收层,可将探测器的截止波长进一步扩展为2.4 μm。首先对盖革模式APD进行了介绍,在此基础上对当前发展的自由运行模式以及扩展波长的InP基单光子探测器原理和性能进行了详细的阐述。     

InGaAs/InP单光子探测器的研制

InGaAs/InP单光子探测器是量子密钥分配系统中的重要器件,为了实现InGaAs/InP单光子探测器的国产化,本文采用国产元器件研制了一种InGaAs/InP单光子探测器,包括雪崩二极管、单片机模块、温控模块、偏置电压模块、门控信号模块和小信号处理模块,编写了程序。实验表明,在100 MHz门控条件下且制冷温度为-45 ℃时,探测器的最大探测效率约为25 %,当探测效率为10 %时,暗计数率约为5.8×10-6/ns,后脉冲率仅为1 %。本文研制的单光子探测器能够满足国产仪器设备的要求,对保障我国重点领域信息数据的安全具有显著的价值。     

用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制

随着量子密码领域的快速发展,近红外单光子探测器的研究已经成为该领域的研究重点和技术制高点。报道了一种基于正弦门控与滤波技术的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)高速单光子探测器,门控频率达到1.25GHz。在探测效率为10.3%时,暗计数概率为1.3×10-6/gate,后脉冲概率为5.6×10-5/ns。这种高速单光子探测器将大幅度提升量子密码系统的两个关键指标——密钥率和传输距离,为下一代高速量子密码系统的实用化应用奠定了基础。     

基于InP/InGaAs HBT技术的单片集成长波长光接收OEIC

采用InP/InGaAs HBT与PIN光探测器单片集成方案,对光接收光电集成电路(OEIC)的外延材料结构和生长、电路设计、制作工艺和性能测试进行了研究.基于自对准InP/InGaAs HBT工艺,实现了1.55μm波长单片集成光接收OEIC.发射极尺寸2μm×8μm的InP/InGaAs HBT直流增益为40,截止频率和最高振荡频率分别为45和54GHz;集成InGaAs PIN光探测器在-5V下响应度为0.45A/W@1.55/μm,暗电流小于10nA,-3dB带宽达到10.6GHz;研制的HBT/PIN单片集成光接收OEIC在2.5和3.0Gb/s速率非归零223-1伪随机码传输工作时可以观察到张开的眼图,灵敏度≤-15.2dBm@BER=10-9.     

基于InP/InGaAs HBT技术的单片集成长波长光接收OEIC

采用InP/InGaAs HBT与PIN光探测器单片集成方案,对光接收光电集成电路(OEIC)的外延材料结构和生长、电路设计、制作工艺和性能测试进行了研究.基于自对准InP/InGaAs HBT工艺,实现了1.55μm波长单片集成光接收OEIC.发射极尺寸2μm×8μm的InP/InGaAs HBT直流增益为40,截止频率和最高振荡频率分别为45和54GHz;集成InGaAs PIN光探测器在-5V下响应度为0.45A/W@1.55/μm,暗电流小于10nA,-3dB带宽达到10.6GHz;研制的HBT/PIN单片集成光接收OEIC在2.5和3.0Gb/s速率非归零223-1伪随机码传输工作时可以观察到张开的眼图,灵敏度≤-15.2dBm@BER=10-9.