[發(fā)明專利]一種高速單光子探測方法與探測器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810020177.2
• 申請日: 2008-03-26
• 公開（公告）號: CN101545810A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發(fā)明（設計）人: 韓正甫;劉云;郭光燦
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發(fā)明屬于弱光檢測技術領域，特別涉及光譜學、激光雷達、天體物理、 量子通信等學科中的弱光或單光子檢測技術。

背景技術

單光子探測技術是微弱光信號檢測中最靈敏的方法，廣泛應用于光譜學、 激光雷達、天體物理、大氣和環(huán)境檢測、量子信息技術等需要對弱光甚至是單 個光子進行檢測的最基本手段。

單光子探測器的性能可用如下三個主要指標描述：探測效率、暗計數(shù)率和 最大計數(shù)率。探測效率和暗計數(shù)率分別表征了探測器探測單光子信號的效率和 出現(xiàn)噪聲的幾率；而最大計數(shù)率則表征了探測器在單位時間內(nèi)可探測單光子脈 沖數(shù)目的能力。在光譜學、激光雷達、天體物理、大氣環(huán)境檢測等應用中，最 大計數(shù)率會限制可測信號的最大強度，因而決定了有效信息獲得的速率，在實 時檢測與反饋控制中是至關重要的指標；而在以單光子為信息載體的量子通信 中，探測器的最大計數(shù)率將從根本上決定量子通信的通信速率。因此，要實現(xiàn) 高速量子通信，必須最大限度地提高紅外單光子探測器的最大計數(shù)率。目前基 于硅APD(雪崩光電二極管)的單光子探測器，工作溫度為-20℃左右，探測量子 效率最高可達70％，暗計數(shù)可低于25/s，最大計數(shù)率低于15MHz；而以InGaAs/InP APD為基礎的紅外單光子探測器對應的性能指標為：當APD工作溫度約為218K 左右時，探測效率約為20％，暗計數(shù)率約為10⁴/s，最大計數(shù)率低于1MHz。

影響探測器最大計數(shù)率的根本原因是所謂的“后脈沖”效應。即當APD接 收單個光子產(chǎn)生一次自持雪崩后，大量的光生載流子通過APD的耗盡層，這樣， 在耗盡層中的俘獲中心就會俘獲部分載流子，脈沖過后，這些被俘獲的載流子 就會由于熱激發(fā)而從俘獲中心被釋放出來，此過程經(jīng)常用時間常數(shù)τ描述，即 雪崩脈沖結束τ時間以后，還留在俘獲中心的載流子數(shù)量是開始時的e^-1倍。如 果這些被釋放出來的載流子正好碰上APD處于蓋革工作模式下的開門狀態(tài)，這 些被再釋放的載流子就會觸發(fā)APD再次產(chǎn)生自持雪崩信號，由于后續(xù)電路無法 區(qū)分這種雪崩與真正信號產(chǎn)生的雪崩信號，從而將其作為信號記錄下來，這就 產(chǎn)生了所謂的后脈沖引起的暗計數(shù)。因此，通常要求APD連續(xù)兩次探測單光子 的時間間隔大于τ，以減少后脈沖效應的干擾，這就使得探測器的最大計數(shù)率 必須小于1/τ。

下面以固體能帶理論來說明這個過程。圖1是APD的能帶結構示意圖。APD 的導帶和價帶能級分別為Ec和Ev，俘獲中心的能級為Ed。當APD接收待測 光子(能量hv₀≥Ec-Ev＝Eg)后發(fā)生過程1：價帶的載流子吸收光子后變成自由載 流子；雪崩結束后大部分載流子發(fā)生過程2：回到價帶；部分載流子則發(fā)生過程 3：被俘獲中心俘獲，俘獲能Et＝Ec-Ed；這些被俘獲的載流子然后發(fā)生過程4：被 俘獲中心釋放，直接躍遷到價帶Ev；由于APD總是在一定的溫度下工作，這些 被俘獲的載流子在釋放過程中，還可能直接被熱激發(fā)到導帶Ec，會發(fā)生過程5： 產(chǎn)生自由載流子；如果過程5發(fā)生時，正好APD處于蓋革模式下的開門狀態(tài)(偏 壓高于雪崩電壓)，則這些載流子可以再次觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生暗計數(shù)-即形成后脈 沖。從以上過程可以看出，要提高探測器的計數(shù)率，必須使過程4盡快發(fā)生， 即設法使俘獲中心盡快釋放載流子。

到目前為止，前人加快過程4的唯一方法是使APD的工作溫度升高，增加 載流子從俘獲中心逃逸的概率。但是，工作溫度的升高會導致單光子探測器的 熱激發(fā)率大幅度提高，從而導致直接躍遷產(chǎn)生的暗計數(shù)大幅度增加，嚴重降低 探測器的性能。因此目前所用的單光子探測器都工作在低溫下，并嚴格控制APD 的工作溫度在一個最佳的范圍，即在熱激發(fā)和后脈沖效應之間尋找平衡點，使 得探測器的綜合性能處于最佳狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種高速單光子探測方法與探測器，除將待測單光子照射到 APD靈敏面上以外，增加一束泵浦光子直接照射到APD靈敏面上，控制泵浦光 子的能量(hv)小于APD吸收層的禁帶寬度Eg，并與俘獲中心的俘獲能Et共 振，這束泵浦光子將激發(fā)被俘獲的載流子發(fā)生過程5。由于光子吸收過程非常快， 這束附加的泵浦光子很快會將俘獲中心倒空，從而減少甚至杜絕了被俘獲的載 流子在一段時間以后被再激發(fā)的幾率，從而使得后脈沖的出現(xiàn)時間大大縮短， 達到提高探測器工作頻率的目的。

本發(fā)明的技術方案如下：