单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。     

日盲单光子紫外探测器的发展

对于诸如高超音速飞行器的早期探测和预警、以及在日盲紫外波段的应用等非常微弱信号的探测来说,可以光子计数的单光子探测器特别令人感兴趣.雪崩光电二极管( APD)具有高速度、高灵敏度和光学增益大等优点.AlGaN合金易于通过改变摩尔组分来选择截止波长.对于在日盲波段实现单光子灵敏度而言,AlGaN APD是最有希望的半导体器件技术.通过对近年来的国内外相关文献资料的归纳分析,介绍了日盲AlGaN探测器的概念,比较了高超音速飞行器的红外与日盲紫外辐射特征,介绍了基于盖革模式与线性模式APD的日盲紫外单光子探测器的发展动态.     

单光子计数传感器列阵

固体单光子计数雪崩光电二极管可用于荧光衰变实验和其它用途。它们发展的下一步应该是低噪声的微型探测器列阵,然而,这种发展却受到了器件之间的串话的阻挠。爱尔兰国立大学的研究人员正在对这种探测器之间的串话进行建模并通过测试来验证他们的模型。 这种列阵的集成方式是产生问题的原因之一,因     

单光子探测器的研究进展

单光子探测器能够探测极微弱光信号, 具有较高的灵敏度, 在民用和国防领域都有广泛的应用。近年来, 随着科学技术的飞速发展, 在传统光电探测器件不断优化和改进的同时, 其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果。为深入了解单光子探测器的技术发展现状和趋势, 总结了目前具有代表性的单光子探测器在研究现状、技术难点和最新技术突破等方面的关键信息, 分析了光电倍增管和雪崩光电二极管等传统单光子探测器的优势与不足以及之后的技术发展方向, 同时还介绍了超导纳米线单光子探测器和基于新型2维材料的雪崩光电二极管等几类具有良好光电性能和巨大发展潜力的新型单光子探测器, 并对其发展前景进行了展望。     

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。     

基于MAX5026的单光子探测器直流偏压源设计

讨论了单光子探测器核心器件雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)的特殊工作原理,并在此基础上介绍了使用PWM升压变换器MAX5026设计出的一种APD直流偏压源方法。阐述了电路的主要设计要点,对电路性能进行了分析说明。实验结果表明:这种小功率直流偏压源电路工作性能良好,具有高稳定性和低纹波输出,能满足单光子探测时APD雪崩击穿对电源电压的要求,是一种理想APD直流偏压源。     

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。     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25 GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25 GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平, 实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高, 单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减, 而后脉冲概率先增大到一个峰值, 然后减小.研究表明, 为获得更高的性能, 需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器（特邀）

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(P_ap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。     

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1 550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器...     

单光子探测器SPAD恒温控制系统设计

分析了单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器雪崩电压的温度特性,得出SPAD的雪崩电压随温度变化约为0.7 V/℃,需要设计恒温控制电路保证SPAD的正常工作.从最优温度控制策略的角度,选用MAX1978温度控制芯片进行电路设计实现SPAD的温度恒定.简要介绍了恒温控制系统的工作原理及各个组成部分.通过恒温控制电路实验验证了电路的可行性,恒温控制电路可以在1 min内使SPAD的工作环境温度恒定在0.06℃内,温度控制速度和精度均能满足SPAD温度恒定的要求,确保单光子探测器SPAD正常工作,使单光子探测器SPAD具有更好的探测性能.     

单光子探测器及量子密钥分配

量子密钥分配中的一项炎键技术就是在其通信窗口实现单光子探测.单光子探测器的性能决定着量子密钥分配系统的性能.综述了单光子探测器的研究进展,讨论了量子密钥生成速率的安全判据及特点,分析了量子密钥分配的主要实验进展.高性能的单光子探测器的研制,以及量子密钥分配方案的改进,极大地提高了量子密钥分配的速率和距离.     

激光云高仪单光子探测器混合抑制电路研究与设计

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间在2 ?s以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。     

基于APD参数建模的单光子探测研究

单光子探测技术对于量子密钥分配乃至量子通信有重要的意义。针对单光子雪崩光电二极管（SPADs）的单光子量子效率（SPQE）,提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3和1.5um的In052Al048As、InP倍增层和In052Al048As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。     

GHz重复频率可调InGaAs/InP单光子探测器

InGaAs/InP雪崩光电二极管（avalanche photodiode APD）可实现近红外波段的单光子检测,具有集成度高功耗低等优势,被广泛应用于量子信息科学、激光测绘、深空通信等领域。通常,为了减小误计数,InGaAs/InP APD工作在门控盖革模式,其门控信号的重复频率直接决定了探测器的工作速率。基于此,采用低通滤波方案,结合集成了GHz正弦门控信号产生、雪崩信号采集、温度控制、偏置电压调节等功能的处理电路,搭建了GHz重复频率可调的高性能InGaAs/InP单光子探测器。GHz门控信号重复频率升高到2 GHz,其相位噪声仍优于-70 dBc/Hz@10 kHz,且尖峰噪声被抑制到热噪声水平,当探测效率为10%时,暗计数仅为2.4×10^-6/门。此外,还验证了该方案下探测器的长时间稳定性,测试了工作速率、偏置电压等对APD关键性能参数的影响,为GHz InGaAs/InP APD的进一步集成及推广奠定基础。     

如何选用雪崩光电二极管

如何选用雪崩光电二极管光学测量在各种科学、医学和工业应用中起着重要作用。简单光学系统用廉价光电池进行光探测，但许多应用要求有较高灵敏度和精度。传统方法是用光电倍增管获得高灵敏度。然而，光子水平灵敏的光电倍增管价格高昂，而且易碎、对磁场灵敏、与尺寸大小...     

光通信中的主流光电探测器研究

对光通信系统解复用接收部分中的关键器件——主流光电探测器进行综合比较、优缺点分析与展望．分别对PIN光电探测器,普通雪崩二极管,超品格雪崩二极管,波导型光电探测器,振腔增强型光电探测器,金属-半导体-金属光电探测器的原理和特点做了简要概括,并做系统比较,最后对光电探测器发展前景进行展望．     

量子通信中单光子探测器的研究

讨论了单光子探测器的工作模式、性能参数,并对实物进行了量子探测效率和暗计数的测试.理论分析和实验测量表明,单光子探测器的各项性能参数都与温度、工作电压和工作模式有着极大的关系.