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/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.     

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。     

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。     

用于光子计数的InGaAs/InP SPAD设计

重点研究了InGaAs/InP SPAD的隧道贯穿电场、雪崩击穿电场、雪崩宽度与过偏电压的关系,提出了过偏电压的计算方法.分析了InGaAs/InP SPAD的基本特性即探测效率、暗计数率与其过偏电压、工作温度、量子效率、电场分布的依赖关系,提出了一种单光子InGaAs雪崩二极管的设计方法.设计制作了InGaAs/InP SPAD,并在门控淬灭模式下进行了单光子探测实验.结果表明:对于200m的SPAD,在过偏2 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 20%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)20 kHz;对于50m的SPAD,在过偏2.5 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 23%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)2 kHz.最后对实验结果进行了分析和讨论.     

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。     

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。     

InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10~(15)/cm~3的器件高3%~8%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.     

InP基单光子探测器的发展和应用

InP/InGaAs单光子探测器经过近40年的发展,其主要性能指标探测效率达到了60％,暗计数率在20 kHz以内(-20℃温度下),时间抖动、后脉冲以及光子计数率也在进一步提高,目前已经获得百ps以内的时间抖动,后脉冲概率1％～5％,光子计数率达到GHz.进一步的性能提升需要考虑具有更小离化系数比和过剩噪声的材料系统...     

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...     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

Improved free-running InGaAs/InP single-photon avalanche diode detectors operating at room temperature

Room-temperature operation of InGaAs/InP single-photon avalanche diode detectors operating in free-running mode, with no electrical gating, is demonstrated. An improved design of device structure permitted significantly lower dark count rates than previously reported. Free-running operation at room temperature using an incident wavelength of 1550 nm gave a noise equivalent power of 1.5 10^-15 WHz^-1/2 with improved photon timing jitter.     

短波红外单光子探测器的发展(特邀)

InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD)是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC)即可达到的工作温度(-40℃左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。国外包括美国、瑞士、意大利、韩国、日本等对InP/InGaAs SPAD进行了长期持续的研究,目前已研制出单管的货架产品,性能还在不断的优化和改进之中,其单光子探测器阵列呈现了清晰的三维成像效果,正在逐步应用。国内包括重庆光电技术研究所、中国科学院上海技术物理所、西南技术物理研究所、中国科学技术大学、云南大学等对InP/InGaAs SPAD芯片先后进行了器件设计和器件制备研究,目前单管的性能已经达到与国外报道相当的性能。国内单光子探测器阵列的研究获得了一定的进展,但芯片规模和器件性能有待提升。文中对国内外InP/InGaAs短波红外单光子探测器的发展,在设计和研制中存在的问题,以及近10年来的优化改进进行了介绍,重点介绍了高温、高速以及单光子焦平面阵列的发展,并结合新颖...     

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。     

Improved InP/InGaAs/InP PIN detector response using a transparent conductor contact

The elimination of the spatial variation in the frequency response of large area pin photodetectors is described using indium tin oxide as a transparent contact. The I/V, C/V, and relative frequency response characteristics are reported for devices fabricated with and without the indium tin oxide. The devices have active area diameters of 25.0 and 80.0 mu m. Responsivities were 0.53 and 0.61 A/W for photodetectors with and without the ITO contact, respectively.<>