高性能半导体单光子探测器研究

发布时间：2020-07-19 21:59

【摘要】：量子保密通信是量子信息学科的一个重要组成部分。基于量子不可克隆定理和不确定性原理,量子保密通信提供了一种无条件安全的通信方式。在量子通信系统中,信息的载体是单个光子,因此在信道接收端对其进行探测的单光子探测器成为重要的核心器件。半导体单光子探测器因其成本低、体积小、可靠性高等优势在实用化量子通信技术中发挥了重要作用。因此,高集成度、高性能半导体单光子探测器的设计与研发极为重要。单光子雪崩二极管和淬灭电路是半导体单光子探测器必不可少的两个核心组成部分,前者的性能指标如探测效率、暗计数等直接影响探测器的相关性能;后者决定了单光子雪崩二极管的工作模式,并将二极管产生的探测信号转换为可计数的数字信号。本论文为提升InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器的性能进行了深入研究,并开展了 InGaAs/InP单光子探测器小型化、集成化的系统设计,以及高速高效率硅单光子探测器研究和系统设计工作。针对InGaAs/InP单光子雪崩二极管,通过符合门技术提取雪崩信号,设计了基于低速门控模式的测试方案,搭建测试平台,基于LabVIEW仪器控制程序,实现对InGaAs/InP单光子雪崩二极管的性能表征,可以快速分析其各项参数指标。针对实用化量子密钥分发对探测器效率高、体积小、速率快的需求,基于低温共烧陶瓷技术,设计了适用于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的单片集成雪崩读出电路,并实验验证了其功能和可靠性;在此基础上,基于该芯片与集成制冷的InGaAs/InP单光子雪崩二极管,设计了微型化正弦门控单光子探测器,并对其性能指标进行测试标定,验证其可靠性。针对多光子纠缠实验对探测器高探测效率的需求,将高速正弦门控方案应用于硅单光子雪崩二极管,研制出高速高效率门控硅单光子探测器。利用高速大幅度正弦门控信号,在提升硅单光子雪崩二极管过压的同时,缩短雪崩时间,在不增大噪声的情况下,实现探测效率的提升。并对探测器进行性能测试后应用于多光子纠缠实验。在本论文的研究过程中,主要有以下创新点:(1)设计了适用于正弦门控方案的单片集成雪崩读取电路,芯片尺寸为15mm×15mm,.L与现有的传统雪崩读出电路相比,体积缩小95%以上。(2)设计了高性能的微型化正弦门控单光子探测器,探测效率可达30%以上,同时体积仅为现有同类型商用探测器的5%。(3)将高速正弦门控滤波技术应用于硅半导体单光子探测器,在与商用SPCM探测器相比,实现探测效率6%的相对提升,并在四光子纠缠实验中实现了 30%的收集效率提升。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN918
【图文】：

示意图,光电倍增管,工作原理,倍增极

图１．１光电倍增管工作原理示意围丨２５１逡逑光电倍增管单光子探测器出现很早，被广泛应用于天体物理，粒子物理等领逡逑域。其主要工作原理为外光电效应和二次电子发射发射机制［２５］。图１．１为光电逡逑倍增管的工作原理示意图。光阴极、聚焦极、多个倍增极和收集阳极等特殊电极逡逑被装入透明真空的壳体内。工作时，光阴极和第一倍增极之间、相邻各级倍增极逡逑之间以及最后一极倍增极和阳极之间加有依次升高的正向电压，从玻璃窗入射的逡逑光子能量大于光阴极中电子的逸出功时，光阴极向真空管内发射光电子，光电子逡逑通过聚焦极汇聚，在电场作用下向第一倍增极运动，并在第一倍增极表面激发出逡逑二次电子，这些电子再次在电场的作用下向下一级倍增极运动，再次激发出更多逡逑的二次电子，光电子在各个倍增极成倍的激发出二次电子，最后在阳极被吸收，逡逑形成可探测的宏观电流，最终增益为Ｉ０４？１０８倍。光电倍增管的光谱响应由光阴逡逑极和光窗的材料决定。现有光阴极材料主要有Ｃｓ－Ｉ、Ｓｂ－Ｃｓ、ＧａＡｓＰ等材料

示意图,工作原理,示意图,倍增极

逦（ＤＹＮＯＤＥＳ）逡逑＼邋ＰＨＯＴＯＣＡＴＨＯＤＥ逡逑图１．１光电倍增管工作原理示意围丨２５１逡逑光电倍增管单光子探测器出现很早，被广泛应用于天体物理，粒子物理等领逡逑域。其主要工作原理为外光电效应和二次电子发射发射机制［２５］。图１．１为光电逡逑倍增管的工作原理示意图。光阴极、聚焦极、多个倍增极和收集阳极等特殊电极逡逑被装入透明真空的壳体内。工作时，光阴极和第一倍增极之间、相邻各级倍增极逡逑之间以及最后一极倍增极和阳极之间加有依次升高的正向电压，从玻璃窗入射的逡逑光子能量大于光阴极中电子的逸出功时，光阴极向真空管内发射光电子，光电子逡逑通过聚焦极汇聚，在电场作用下向第一倍增极运动，并在第一倍增极表面激发出逡逑二次电子，这些电子再次在电场的作用下向下一级倍增极运动，再次激发出更多逡逑的二次电子，光电子在各个倍增极成倍的激发出二次电子，最后在阳极被吸收，逡逑形成可探测的宏观电流

主要结构,探测效率

２．１．１硅单光子雪崩二极管逡逑硅ＳＰＡＤ的发展非常成熟。它的光谱响应范围在４００邋ｎｍ到１０００邋ｎｍ之间。逡逑硅ＳＰＡＤ的结构主要有三种，如图２．１所示。逡逑１００－２００邋ｐｍ逡逑１０－１００邋ｕｍ逡逑Ｈ２３逦ｅ逦ｃ５Ｓ逦ｈｖ－ｊ逦＾逡逑Ｕ，－逦ｆａ邋ｒ逡逑图２．１硅ＳＰＡＤ主要结构逡逑最左侧为“贯穿”型（Ｒｅａｃｈ邋ｔｈｒｏｕｇｈ）结构［３９］，是由Ｐｅｒｋｉｎ邋Ｅｌｍｅｒ公司开逡逑发，主要有以下特点：（１）邋ＰＮ结厚度较大，通常为几十，又被称为“厚结”逡逑结构；（２）由于ＰＮ结较厚，这种结构的器件雪崩击穿电压较高，一般从２００邋Ｖ逡逑到５００邋Ｖ不等；（３）其感光区域也比较大，直径在１００ｐｍ至５００邋ｐｍ之间；（４）逡逑探测效率相与高，在５４０邋ｎｍ到８５０邋ｎｍ波段探测效率均可达５０％以上，最高探逡逑测效率在７０％以上；（５）暗计数较低，最小在几十个左右；（６）在光子到达的时逡逑７逡逑

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