基于雪崩光电二极管的低时间抖动单光子探测器设计

发布时间：2020-09-12 12:37

　　单光子探测在量子通信、激光测距、光谱分析等领域均有着广泛的应用,而单光子探测器的时间抖动直接影响了量子密钥分发的误码率与激光测距的精度。为了进一步改善现有单光子探测器的时间特性,本文选用InGaAs/InP雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)作为单光子探测器的核心器件,在分析了造成其时间抖动的原因的基础上,提出一种新型的低时间抖动的高速门控单光子探测方案,具体包括门控脉冲合成模块、雪崩二极管封装和制冷模块、单光子源制备模块以及雪崩信号处理模块。其中,在雪崩信号处理模块,我们采用低通滤波技术抑制尖峰噪声,最大程度地保留雪崩信号的完整性,并在此基础上,进一步提出利用限幅放大器代替比较器将幅度随机变化的雪崩信号转化为数字信号的新型探测方法,从而降低由于雪崩信号幅度变化引起的时间抖动。经过实验对比我们发现,本文提出的探测方案时间抖动仅为43ps,与传统的雪崩信号处理方法相比,时间抖动减小了 32ps。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.7
【部分图文】：

电场分布,雪崩光电二极管,电场分布,典型结构

第二章基于雪崩光电二极管的单光子探测技术逡逑２．１雪崩光电二极管工作原理逡逑如图２．１．１所示，在雪崩光电二极管ＡＰＤ两端加上合适的反偏电压，由于结区逡逑内正负载流子扩散运动产生的内建电场与反偏电压方向相同，内建电场就会加强，逡逑耗尽层被拉宽。当反向偏压大于碰撞电离所需的最小场强时，若入射光子的能量大逡逑于材料能带间隙，价带中的电子将吸收光子的能量，受激跃徖形成光生载流子。光逡逑生载流子在强电场的作用下高速运动并与与晶格原子碰撞，使处于束缚态的电子受逡逑碰撞后成为自由电子，这就是所谓的碰撞电离效应。随着载流子在外加电场作用下逡逑的高速运动，电离过程不断重复，使得载流子的数量呈指数形式倍增，这就是ＡＰＤ逡逑的工作原理［１２，１３］。逡逑牛逡逑＿逦一雪崩区逡逑场逦—Ｗ—碰撞电离所需的最小场强逡逑！邋一－逦逦逦—逡逑；：邋ｍｍ逡逑ｐ逦ｉ逦ｐ＋邋—逡逑逦逦ｈ逡逑逦ｉｍ逦＾逡逑图２．邋１．邋１雪崩光电二极管典型结构及电场分布逡逑一般来说

电路原理图,电路原理,主动抑制,雪崩

光电二极管单光子探测器的抑制技术逡逑单个光子的能量仅为１０＿１９Ｊ左右，为了将如此电信号，必须引入相应的放大机制：使ＡＰＤ大增益的雪崩电流。但自持雪崩是一个正向反猝灭雪崩，雪崩电流将一直存在，既容易损来的光子，影响探测器的计数率与探测效率。ＰＷ２火主动抑制＿和门控模式［２３］。逡逑抑制（Ｐａｓｓｉｖｅ邋Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）逡逑上的反向偏置电压大于雪崩电压是其发生雪雪崩过程，就必须要将反向偏压降低至雪崩电图２．邋３．邋１（ａ）所示，让ＡＰＤ级联一个１００ＫＱ至１

原理图,模式电路,门控,原理

加载在ＡＰＤ上的反向偏置电压大于雪崩电压是其发生雪崩效应的必要条件，逡逑因此，为了猝灭雪崩过程，就必须要将反向偏压降低至雪崩电压以下。被动抑制技逡逑术的电路原理如图２．邋３．邋１（ａ）所示，让ＡＰＤ级联一个１００ＫＱ至１ＭＱ的高阻值抑制电逡逑（ａ）邋Ｖａ逦Ｖａ逡逑ｉ逦Ｌ逡逑ＡＰＤ邋Ａ逡逑？ｔ：＞邋—逡逑图２．邋３．邋１逦（ａ）被动抑制电路原理（ｂ）主动抑制电路原理逡逑８逡逑

【相似文献】