專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高速單光子探測(cè)方法與探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于弱光檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光譜學(xué)、激光雷達(dá)、天體物理、 量子通信等學(xué)科中的弱光或單光子檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
單光子探測(cè)技術(shù)是微弱光信號(hào)檢測(cè)中最靈敏的方法，廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)、 激光雷達(dá)、天體物理、大氣和環(huán)境檢測(cè)、量子信息技術(shù)等需要對(duì)弱光甚至是單 個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)的最基本手段。
單光子探測(cè)器的性能可用如下三個(gè)主要指標(biāo)描述探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率和 最大計(jì)數(shù)率。探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)率分別表征了探測(cè)器探測(cè)單光子信號(hào)的效率和 出現(xiàn)噪聲的幾率；而最大計(jì)數(shù)率則表征了探測(cè)器在單位時(shí)間內(nèi)可探測(cè)單光子脈 沖數(shù)目的能力。在光譜學(xué)、激光雷達(dá)、天體物理、大氣環(huán)境檢測(cè)等應(yīng)用中，最 大計(jì)數(shù)率會(huì)限制可測(cè)信號(hào)的最大強(qiáng)度，因而決定了有效信息獲得的速率，在實(shí) 時(shí)檢測(cè)與反饋控制中是至關(guān)重要的指標(biāo)；而在以單光子為信息載體的量子通信 中，探測(cè)器的最大計(jì)數(shù)率將從根本上決定量子通信的通信速率。因此，要實(shí)現(xiàn) 高速量子通信，必須最大限度地提高紅外單光子探測(cè)器的最大計(jì)數(shù)率。目前基 于硅APD(雪崩光電二極管)的單光子探測(cè)器，工作溫度為-20'C左右，探測(cè)量子 效率最高可達(dá)70%，暗計(jì)數(shù)可低于25/s,最大計(jì)數(shù)率低于15MHz;而以InGaAs/InP APD為基礎(chǔ)的紅外單光子探測(cè)器對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)為當(dāng)APD工作溫度約為218K 左右時(shí)，探測(cè)效率約為20%，暗計(jì)數(shù)率約為104/8，最大計(jì)數(shù)率低于lMHz。
影響探測(cè)器最大計(jì)數(shù)率的根本原因是所謂的"后脈沖"效應(yīng)。即當(dāng)APD接 收單個(gè)光子產(chǎn)生一次自持雪崩后，大量的光生載流子通過(guò)APD的耗盡層，這樣， 在耗盡層中的俘獲中心就會(huì)俘獲部分載流子，脈沖過(guò)后，這些被俘獲的載流子 就會(huì)由于熱激發(fā)而從俘獲中心被釋放出來(lái)，此過(guò)程經(jīng)常用時(shí)間常數(shù)T描述，即 雪崩脈沖結(jié)束T時(shí)間以后，還留在俘獲中心的載流子數(shù)量是開(kāi)始時(shí)的e—'倍。如果這些被釋放出來(lái)的載流子正好碰上APD處于蓋革工作模式下的開(kāi)門(mén)狀態(tài)，這 些被再釋放的載流子就會(huì)觸發(fā)APD再次產(chǎn)生自持雪崩信號(hào)，由于后續(xù)電路無(wú)法 區(qū)分這種雪崩與真正信號(hào)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)，從而將其作為信號(hào)記錄下來(lái)，這就 產(chǎn)生了所謂的后脈沖引起的暗計(jì)數(shù)。因此，通常要求APD連續(xù)兩次探測(cè)單光子 的時(shí)間間隔大于T，以減少后脈沖效應(yīng)的干擾，這就使得探測(cè)器的最大計(jì)數(shù)率
必須小于1/T 。
下面以固體能帶理論來(lái)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程。圖1是APD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。APD 的導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)分別為Ec和Ev，俘獲中心的能級(jí)為Ed。當(dāng)APD接收待測(cè) 光子(能量hv。^Ec-E^Eg)后發(fā)生過(guò)程l:價(jià)帶的載流子吸收光子后變成自由載 流子；雪崩結(jié)束后大部分載流子發(fā)生過(guò)程2:回到價(jià)帶；部分載流子則發(fā)生過(guò)程 3:被俘獲中心俘獲，俘獲能E^Ec-Ed;這些被俘獲的載流子然后發(fā)生過(guò)程4:被 俘獲中心釋放，直接躍遷到價(jià)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(guò)程中，還可能直接被熱激發(fā)到導(dǎo)帶Ec，會(huì)發(fā)生過(guò)程5: 產(chǎn)生自由載流子；如果過(guò)程5發(fā)生時(shí)，正好APD處于蓋革模式下的開(kāi)門(mén)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(jì)數(shù)一即形成后脈 沖。從以上過(guò)程可以看出，要提高探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，必須使過(guò)程4盡快發(fā)生， 即設(shè)法使俘獲中心盡快釋放載流子。
到目前為止，前人加快過(guò)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(huì)導(dǎo)致單光子探測(cè)器的 熱激發(fā)率大幅度提高，從而導(dǎo)致直接躍遷產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)大幅度增加，嚴(yán)重降低 探測(cè)器的性能。因此目前所用的單光子探測(cè)器都工作在低溫下，并嚴(yán)格控制APD 的工作溫度在一個(gè)最佳的范圍，即在熱激發(fā)和后脈沖效應(yīng)之間尋找平衡點(diǎn)，使 得探測(cè)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(cè)方法與探測(cè)器，除將待測(cè)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(guò)程5。由于光子吸收過(guò)程非?？?， 這束附加的泵浦光子很快會(huì)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(shí)間以后被再激發(fā)的幾率，從而使得后脈沖的出現(xiàn)時(shí)間大大縮短，達(dá)到提高探測(cè)器工作頻率的目的。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二 極管(APD)外接偏置電路和溫度控制電路，當(dāng)入射光子能量大于APD吸收層 的禁帶寬度時(shí)，雪崩光電二極管APD產(chǎn)生一次自持雪崩，給出單光子信號(hào)，雪 崩過(guò)程結(jié)束后，會(huì)有光生載流子被APD的俘獲中心所俘獲，俘獲能Et;將光子 能量小于吸收層禁帶寬度的長(zhǎng)波光入射到APD上，使其與俘獲能Et共振，激 發(fā)在所述的自持雪崩過(guò)程中被俘獲中心所俘獲的載流子，將其激發(fā)到導(dǎo)帶，倒 空俘獲中心的載流子，降低被俘獲的載流子在雪崩結(jié)束后被再激發(fā)的幾率，即 可大幅度提高APD的工作頻率。
另一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電 二極管(APD)外接偏置電路和溫度控制電路，入射一束能量大于APD吸收層 的禁帶寬度的短波光子，使雪崩光電二極管APD產(chǎn)生一次自持雪崩，雪崩過(guò)程 結(jié)束后，會(huì)有光生載流子被APD的俘獲中心所俘獲，俘獲能Et;將能量與俘獲 能Et相近的待測(cè)長(zhǎng)波光子入射到APD上，將俘獲中心所俘獲的載流子再激發(fā) 到導(dǎo)帶形成雪崩光電流，給出探測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量與俘獲能相近的長(zhǎng)波光子 的探測(cè)，由此可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波波段的單光子檢測(cè)。
第三種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電 二極管(APD)外接偏置電路和溫度控制電路，入射一束光子能量約等于價(jià)帶 到俘獲中心能級(jí)差的光束，將價(jià)帶載流子直接激發(fā)到俘獲中心，將待測(cè)光子(hv) 入射到APD上，待測(cè)光子(hv^Et)將俘獲載流子再激發(fā)到導(dǎo)帶，并產(chǎn)生雪崩 電信號(hào)輸出，由此實(shí)現(xiàn)單光子檢測(cè)。
由所述的高速單光子探測(cè)方法，可以構(gòu)造出單光子探測(cè)器，其特征是在雪 崩光電二極管APD正前方設(shè)置45度傾斜的透反雙色鏡，所述的短波、長(zhǎng)波單 光子分別從透反雙色鏡的前方與側(cè)方入射，經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的透射與反射進(jìn)入 雪崩光電二極管APD，按照上述方法，同時(shí)或交替入射兩種波長(zhǎng)的光子即可得 到需要的單光子信號(hào)。所述兩種波長(zhǎng)光子入射光路的透射和反射可以互換，只 是透反雙色鏡的波長(zhǎng)要對(duì)應(yīng)的互換。
所述的高速單光子探測(cè)方法中的偏置電路，其第一種情況是偏置電壓是穩(wěn) 定的直流電壓，其電壓略高于所述APD的雪崩電壓；所述的高速單光子探測(cè)方法中的偏置電路，其第二種情況是偏置電壓用脈 沖電壓，其電壓脈沖的高度略高于所述APD的雪崩電壓；第三種情況是偏置電
壓是在穩(wěn)定的直流電壓上疊加脈沖電壓，其疊加后的脈沖高度略高于所述APD 的雪崩電壓。
本發(fā)明除將待測(cè)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，這束附加的泵浦光子很快會(huì)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(shí)間以后被再激發(fā)的幾率，從而使得后脈沖 的出現(xiàn)時(shí)間大大縮短，達(dá)到提高探測(cè)器工作頻率的目的。


圖1為雪崩光電二極管的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明長(zhǎng)波輔助泵浦高速單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明短波輔助泵浦長(zhǎng)波單光子探測(cè)器。
圖4為本發(fā)明俘獲能級(jí)輔助泵浦高速單光子探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式
例l
參見(jiàn)圖2。
一種高速單光子探測(cè)裝置，設(shè)置雪崩光電二極管APD為光靈敏器件，所述 的雪崩光電二極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，在雪崩光電二極管APD 正前方設(shè)置45度傾斜的透反雙色鏡，長(zhǎng)波輔助長(zhǎng)波光源和待測(cè)光子源分別安裝 在透反雙色鏡的前方與下方，二種波長(zhǎng)的光子經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的合成后進(jìn)入雪 崩光電二極管APD進(jìn)行探測(cè)。 例2
參見(jiàn)圖3。
一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二 極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，在雪崩光電二極管APD正前方設(shè)置 45度傾斜的透反雙色鏡，將短波輔助泵浦光源和待測(cè)低能光子源分別安裝在透 反雙色鏡的前方與下方，二種波長(zhǎng)的光子經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的合成后進(jìn)入雪崩光 電二極管APD進(jìn)行探測(cè)。其工作過(guò)程為短波泵浦光子將APD價(jià)帶載流子泵浦 到導(dǎo)帶并產(chǎn)生一次自持雪崩，雪崩過(guò)程結(jié)束后，會(huì)有光生載流子被APD的俘獲中心所俘獲，待雪崩過(guò)程結(jié)束后，將待測(cè)長(zhǎng)波光子將俘獲中心的載流子再激發(fā) 到導(dǎo)帶，并在外偏置電壓的驅(qū)動(dòng)下，再次產(chǎn)生雪崩過(guò)程，從而給出對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)波 光子的電流信號(hào)，用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)波光子信號(hào)。 例3
參見(jiàn)圖4。
一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二 極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，在雪崩光電二極管APD正前方設(shè)置 45度傾斜的透反雙色鏡，將輔助泵浦光源和待測(cè)光子源分別安裝在透反雙色鏡 的前方與下方，二種波長(zhǎng)的光子經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的合成后進(jìn)入雪崩光電二極管 APD進(jìn)行探測(cè)。其工作過(guò)程為輔助泵浦光子將APD價(jià)帶載流子泵浦到俘獲中心 能級(jí)，待測(cè)光子再將俘獲中心的載流子再激發(fā)到導(dǎo)帶，在外偏置電壓的驅(qū)動(dòng)下 產(chǎn)生光電流，從而給出對(duì)應(yīng)于待測(cè)單光子或多光子的信號(hào)。
權(quán)利要求
1、一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，當(dāng)入射單光子能量大于等于APD吸收層的禁帶寬度時(shí)，雪崩光電二極管APD產(chǎn)生一次自持雪崩，給出單光子信號(hào)，雪崩過(guò)程結(jié)束后，會(huì)有光生載流子被APD的俘獲中心所俘獲，俘獲能Et；其特征在于將光子能量小于吸收層禁帶寬度的長(zhǎng)波單光子入射到APD上，使其與俘獲能Et共振，激發(fā)在所述的自持雪崩過(guò)程中被俘獲中心所俘獲的載流子，將其激發(fā)到導(dǎo)帶，倒空俘獲中心的載流子，降低被俘獲的載流子在雪崩結(jié)束后被再激發(fā)的幾率，以提高APD的工作頻率。
2、 一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二 極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，其特征在于入射一束能量大于 或等于APD吸收層的禁帶寬度的短波光子，使雪崩光電二極管APD產(chǎn)生一 次自持雪崩，雪崩過(guò)程結(jié)束后，會(huì)有光生載流子被APD的俘獲中心所俘獲， 俘獲能Et;將能量與俘獲能Et相近的待測(cè)長(zhǎng)波光子入射到APD上，將俘獲 中心所俘獲的載流子再激發(fā)到導(dǎo)帶形成光電流，給出探測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量 與俘獲能Et相近的待測(cè)長(zhǎng)波光子的探測(cè)，由此實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波波段的單光子檢測(cè)。
3、 一種高速單光子探測(cè)方法，設(shè)置雪崩光電二極管APD，所述的雪崩光電二 極管APD外接偏置電路和溫度控制電路，其特征在于入射一束光子能量 約等于價(jià)帶到俘獲中心能級(jí)差的光束，將價(jià)帶載流子直接激發(fā)到俘獲中心， 將待測(cè)光子(hv)入射到APD上，待測(cè)光子(hv^Et)將俘獲載流子再激 發(fā)到導(dǎo)帶，并產(chǎn)生雪崩電信號(hào)輸出，由此實(shí)現(xiàn)單光子檢測(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速單光子探測(cè)方法構(gòu)造的單光子探測(cè)器，其特征在 于在雪崩光電二極管APD正前方設(shè)置45度傾斜的透反雙色鏡，所述的短 波、長(zhǎng)波單光子分別從透反雙色鏡的前方與側(cè)方入射，經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的透 射與反射進(jìn)入雪崩光電二極管APD。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速單光子探測(cè)方法構(gòu)造的單光子探測(cè)器，其特征在 于在雪崩光電二極管APD正前方設(shè)置45度傾斜的透反雙色鏡，所述的短 波、長(zhǎng)波單光子分別從透反雙色鏡的前方與側(cè)方入射，經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的透 射與反射進(jìn)入雪崩光電二極管APD。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速單光子探測(cè)方法構(gòu)造的單光子探測(cè)器，其特征在于在雪崩光電二極管APD正前方設(shè)置45度傾斜的透反雙色鏡，所述的泵 浦、待測(cè)光分別從透反雙色鏡的前方與側(cè)方入射，經(jīng)過(guò)透反雙色鏡的透射與 反射進(jìn)入雪崩光電二極管APD。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高速單光子探測(cè)方法，其特征在于所述的偏置電路的 偏置電壓是穩(wěn)定的直流電壓，其電壓略高于所述APD的雪崩電壓；或者偏 置電壓是脈沖電壓，其電壓脈沖的高度略高于所述APD的雪崩電壓；或者 偏置電壓是在穩(wěn)定的直流電壓上疊加脈沖電壓，其疊加后的脈沖高度略高于 所述APD的雪崩電壓。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速單光子探測(cè)方法，其特征在于所述的偏置電路的 偏置電壓是穩(wěn)定的直流電壓，其電壓略高于所述APD的雪崩電壓；或者偏 置電壓是脈沖電壓，其電壓脈沖的高度略高于所述APD的雪崩電壓；或者 偏置電壓是在穩(wěn)定的直流電壓上疊加脈沖電壓，其疊加后的脈沖高度略高于 所述APD的雪崩電壓。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速單光子探測(cè)方法，其特征在于所述的偏置電路的 偏置電壓是穩(wěn)定的直流電壓，其電壓略高于所述APD的雪崩電壓；或者偏 置電壓是脈沖電壓，其電壓脈沖的高度略高于所述APD的雪崩電壓；或者 偏置電壓是在穩(wěn)定的直流電壓上疊加脈沖電壓，其疊加后的脈沖高度略高于 所述APD的雪崩電壓。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種高速單光子探測(cè)方法與探測(cè)器，在已有雪崩光電二極管APD單光子探測(cè)原理和探測(cè)器的基礎(chǔ)上，增加一束輔助泵浦光子直接照射在APD上，將在耗盡層中被俘獲的載流子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在最短的時(shí)間內(nèi)將俘獲中心倒空，使得后脈沖效應(yīng)迅速降低，從而實(shí)現(xiàn)了高速單光子探測(cè)的目的?；Q泵浦光子和待測(cè)光子的波長(zhǎng)，本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于俘獲中心能級(jí)深度的長(zhǎng)波單光子探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01J11/00GK101545810SQ20081002017
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者云 劉, 郭光燦, 韓正甫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)