高速近红外1550nm单光子探测器[1]VIP免费

收稿日期：2011-06-22；修订日期：2011-07-19基金项目：国家自然科学青年科学基金(40804032)作者简介：杨皓(1984-)，男，博士生，主要从事光电探测方面的研究工作。Email:yanghao@cssar.ac.cn导师简介：孙志斌(1978-)，男，副研究员，博士，主要从事单光子探测与成像方面的研究工作。Email:zbsun@nssc.ac.cn高速近红外1550nm单光子探测器杨皓1,2，王超2，孙志斌2，王迪2，翟光杰2(1.中国船舰研究设计中心，湖北武汉430064；2.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190)摘要：高速近红外1550nm单光子探测器采用半导体制冷和热管风冷混合技术，雪崩二极管工作于盖革模式下，使用交流耦合方式提供门脉冲信号，通过延迟补偿和采样边沿锁存方式消除尖脉冲干扰，采用反馈门控减小后脉冲的影响。采用了ECL(EmitterCoupleLogic)与TTL(Transistor-TransistorLogic)混合电子技术提高单光子探测系统的运行频率，其频率可大于10MHz；另外，通过对雪崩信号的放大来提高信号的动态范围，进一步优化探测器的性能。实验测试与分析表明，探测器在时钟频率10MHz、温度-62℃、门脉冲宽度8ns的条件下的最优性能参数为：量子探测效率12.8%，暗计数率3.76×10-6ns-1，噪声等效功率8.68×10-19W/Hz1/2。关键词：单光子探测；半导体制冷；雪崩二极管；盖革模式；门控中图分类号：O439；TP11文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)02-0325-05Highspeedsingle-photondetectorat1550nmwavelengthYangHao1,2,WangChao2,SunZhibin2,WangDi2,ZhaiGuangjie2(1.ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China;2.CenterforSpaceScienceandAppliedResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190，China)Abstract:AsinglephotondetectoroperatingintheGeigermodewascooledtoamoderatetemperaturebyusingPeltiercoolingandheatpipetechnology,andagatepulsesignalwascoupledtotheavalanchediodebyacapacity.Amoderatedelayandedgetriggerflipflopwereusedtoavoidthepositiveandnegativetransientpulsesfrominfluencingthedetectionoftruephotonavalanche,adeadtimemodulationfeedbackcontrolcircuitwasusedtodecreasetheafter-pulsing,andtheworkingfrequencyofthedetectorwasimprovedbyECL(EmitterCoupleLogic)andTTL(Transistor-TransistorLogic)technologieswhichwasgreatlylargerthan10MHz.Inaddition,thesignaldynamicrangewasimprovedthroughamplifyingavalanchesignalandthedetectorperformancewasfurtheroptimized.Ontheconditionthatthetemperatureis-62℃,theminimumgatepulsewidthis8ns,andtheclockfrequencyis10MHz,itisfoundthatattheoptimumoperationpointthequantumefficiencyisabout12.8%,thedarkcountrateis3.76×10-6ns-1andthenoise-equivalentpoweris8.68×10-19W/Hz1/2fromtheperformancetestandanalysis.Keywords:single-photondetection;semiconductorcooling;avalanchephotodiode;geigermode;gatecontrol第41卷第2期红外与激光工程2012年2月Vol.41No.2InfraredandLaserEngineeringFeb.2012红外与激光工程第41卷0引言单光子探测是一种极弱光探测技术，在非破坏性物质成份精密分析，生物发光及放射探测，天文高能物理现象探测，激光雷达和光学制导，深空、自由空间及水下通信和量子保密通讯，可见光、红外及紫外单光子成像等领域有着广泛的应用[1]。自从1984年Bennett和Brassard提出第一个量子密码术方案并于1989年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后，世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮[2]。作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景。而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力[3]。目前应用于单光子探测器的光电转换器件主要有光电倍增管和雪崩二极管。光电倍增管对可见光和UV有较高的增益，从而得到了广泛的研究和应用，但在红外通讯波长范围内，其较低的量子效率限制了在该波长的应用，取而代之的是基于半导体工艺的雪崩光电二极管(APD)。APD在红外通讯波长量子效率高、功耗低、...