量子通信中单光子探测器的研究 single photon detector in quantum communication.pdfVIP

韶圈∞ 中文核心期刊 量子通信中单光子探测器的研究 姚立，杨伯君，彭建，傅艺飞，于丽 (北京邮电大学理学院，北京100876) 摘要：讨论了单光子探测器的工作模式、性能参数，并 2．1单光子探测器的性能参数 对实物进行了量子探测效率和暗计数的测试。理论分 (1)量子探测效率量子探测效率和器件设计结构 析和实验测量表明，单光子探测器的各项性能参数都 和抗反射膜的设计优劣有关．在一定温度下．偏压越 与温度、工作电压和工作模式有着极大的关系。 大．结区场强越强．触发雪崩的几率也越大。但同时噪 关键词：单光子探测器；光电雪崩二极管；探测效率； 声也随着偏压的升高而增大．暗计数也相应增大，所 中图分类号：TP2l 文献标志码：A 以偏压的取值是需要折中的。影响量子探测效率主要 有以下四个因素：①光纤同APD有源区的耦合；②光 1引言 子在InGaAs层吸收的概率：③光生载流子在倍增区 量子通信是当今一门前沿的信息科学技术．鉴于 触发一次雪崩的几率：④一定温度下的偏置电压。 当今的技术水平．量子密钥分配是最有可能实现的【1】。 (2)时间分辨率时间分辨率是指光生载流子穿越 在单光子密钥通信中要求单光子探测器．要求光电雪 吸收区进入倍增去的时间．与APD的结构和场强的大 崩二极管(APD)有很高的灵敏度．高性能的单光子探小有关。增大过电压(Ⅵ一Ⅷ会提高时间分辨率，但是 测器对整个量子通信系统至关重要。本文对单光子探 噪声和后脉冲将增大。时间分辨率影响到整个系统的 测器实物进行了测量．测量结果达到了整个通信系统 传输速率，”死时间”、”恢复时间”、”后脉冲”是影响时 的要求． 间分辨率的关键。这也是我们设计电路所要考虑的。 (3)暗计数单光子探测器中的暗计数显得尤为重 2单光子探测器SPAD[2，3】 要。其主要来源是热激发、隧道贯穿和后脉冲。由于热 单光子探测是一种极微弱光的探测．用于单光子 激发．少数电子从满带跃迁到空带．同时在满带中产 生空穴，这些空穴经雪崩倍增后产生暗计数：隧道贯 探测的APD称为SPADs．在长波波段更多的是用Ge— 穿指的是吸收区载流子通过隧道效应进入倍增区．在 APD和InGaAs—APD。SAPDs是工作于”盖革”模式下 的。”盖革模式”指的是单光子探测APD的工作电压Ⅵ 高场区触发雪崩，增加暗计数：后脉冲指在雪崩过程 中被结去杂质缺陷捕获的少数载流子在初始雪崩结 高于击穿电压K。此时平均雪崩增益船理论上是趋 于无穷的．这也是为了满足对微弱光的探测。 束后延迟被释放出来．这些载流子再次引起雪崩的重 在”盖革模式”下，为了可以接受下一个光子．需要 复计数。 一个抑制电路来抑制雪崩。抑制电路将APD两端的电 综合来看SAPDs的环境温度和工作电压是影响 压降到雪崩电压之下．从而达到雪崩停止。抑制雪崩 性能的主要因素。在工作电压方面．量子效率、时间分 的时间称为”死时间”．为了提高整个系统的传输速率． 辨率和暗计数是一对矛盾．在温度方面噪声和捕获态 需要尽量减少”死时间”。为了接受下一个光子．还必须 电子寿命(影响后脉冲)也是一对矛盾。所以SAPDs的 在雪崩停止后将APD两端的电压重新恢复到击穿电 工作条件是一个折中取优的过程。 压之上．这个过程为恢复阶段．相对应的是恢复时间。