单光子探测器件的发展与应用_张雪皎
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
门控模式 。 但要保持门脉冲与光子到达同 步 , 尤 其是远距离 传输时怎样使光子到达时门刚好打开 , 这是需要 研究的一项
课题 。 全主动抑制电 路是 最近 刚出 来的 一个 技术〔11〕 , 其 原理
为用精确的时序开关控制电路雪崩猝灭与 恢复过程 , 将雪崩 信号反馈到 APD 加速 其猝 灭 , 而后将 与 APD 串联 的高 阻切 换为低电阻 从而达到 快速 充电恢 复的 目的 。 此 方式 使死时
《
激光杂志》
2007
张雪 年第
皎等 :单光子探测器件的发展与应用 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL(Vol
.28 .No
.5 .2007)
13
单光子探测器件的发展与应用
张雪皎 , 万钧力
(三峡大学电气信息学院 , 宜昌 443002)
提要 :介绍了最近几年单光子探测技术的应用和研究进展 。 阐述了光电倍增管 、雪崩光电二极管和超导单光子探测器的基本工作原理 , 分
析了它们的相关参数并进行了比较 。 讨论了各器件的工作特点及优缺点 , 最后对单光子探测技术应用发展前景作了展望 。
关键词 :单光子探测器 ;PMT :APD ;SSPD
中图分类号 :O572 .21 +2 文献标识码 :A 文章编号 :0253-2743(2007)05 -0013 -03
器具有量子效率高 、功耗低 、工作频谱范围大、体积小、工作电压 较低等优点, 但同时也有增益低 、受温度影响大 , 噪声大、记数率
低、外围控制电路及热电制冷电路复杂等缺点, 目前大量的研究 集中在改进 APD 的制作工艺〔11〕与外围电路两方面 。
针对 PTM 和 APD 的特点, 研究人员开发出了由两者结合而
1 光电倍增管(PMT)
光电倍增管是利用 外光电 效应 来探测 光信 号的 电真空 器件 。 主要由光阴极 、打拿级和阳极 组成 。 当光 信号照射到 阴极表面时 , 光 电 阴极 吸 收光 子并 由 外光 电效 应 产生 光电 子 , 光电子在 PMT 内强电场的作用下被加速后碰到 打拿级并
目前对 PMT 的改进一般有 选用新 的光阴极 材料以 拓宽 光谱 响应范围 , 使用棱镜改变入射角和 改变光电阴 极构型来 提高 光阴极光子吸收能 力〔7〕 , 改变 打拿 级的形 状及 数量(如 微通 道板〔9〕)以增加 增益 , 在外 电路 方面优 化分 压电路 以提 高线 性度〔6〕 , 采用半导体制冷器件来降 低暗电流以 减小暗记 数脉 冲和提高量子效率〔10〕 。
The development and application of single -photon detectors
ZHANG Xue -jiao, WAN Jun -li
(The College of Electrical Engineering &Information Technology , China Three Gorges University , Yichang 443002 , China)
产生更多的二次电子 , 这样经过多次加 速与碰撞 就产生足够 多的电子 , 由阳极收 集并输 出形 成电 流被检 测出 来 , 并且电
2 雪崩光电二级管(APD)
流的大小反映了光信号的强弱 。 对于单光 子探测 , 当单光子
雪崩光电二级管是利用内光电效应探测 光信号的 器件 ,
打在阴极时 , 产生的光电流是离散的 脉冲形式 。 对脉冲进行 在 APD 两端加上 反偏 电压 , 光子 被 APD 的吸 收层 吸收 并产
由于要使 APD 的灵敏度达到能探测单光子 , 其 工作电压
要高于雪崩击穿电压 , 这种工作模式 称为盖革 模式 。 在盖革 模式下 , 任何光子的 吸收都 会产 生自 持雪崩 , 如 不加 以抑制
将导致 APD 的损坏 , 所以需要抑制电路进行控制 。 早期有无 源抑制和有源抑制电路 , 这种电路使 APD 处于高于 雪崩电压 状态 , 对其寿命有不 利影响 , 并 且由 后脉冲 和散 粒噪 声导致
Abstract:The development and application of single -photon detectors are introduced .The operating principles of photomultiplier tube(PMT), avalanche
photodiode(APD)and superconducting , single-photon detector(SSPD)are expounded .The characteri stic , advantages and disadvantages of them are discussed .
.5 .2007)
60 %的光子探 测效率 , 暗计数低 于 100 每秒 。 对 于长波长范
围 , 有报道用 InGaAs-InPAPD 对 1550nm 可以达 到 10 %的光 子探测效率 , 50%的量子效率〔12〕 。 暗记数率起因于后脉冲记
数 , 隧穿效应 , 散粒噪声及热噪声等 , 与 APD 两端偏压 , 温度 , 过剩噪声因子等因素有关 。
的光电流比室温下光电检测器本身的噪声 还低 , 所以需要特
由于 PMT 具有高增益 , 低噪声等效功率(暗电流小)等优
别的仪器和 检测手段 。 目前单 光子 检测技 术基 本上 都是在 点 , 在光电检测领域 获得广 泛的 应用 , 但它 也有 些缺点 限制
以前微弱光信号检测的基础上发展起来的 , 已用 来做单光子 了在某些方面 的应用 , 如体积庞大 、反向偏压 高 , 只 能工作在
和暗计数率 。 量子效率与器件结 构 、工 作波长及光 吸收区材 料有关 , 在 400-900nm 范围 , 盖革模 式下 , 硅 APDs 可 以达到
14
《
激光杂志》
2007
张雪 年第
皎等 :单光子探测器件的发展与应用 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL(Vol
.28 .No
收稿日期 :2007 -03 -20 基金项目 :湖北省教育厅重点科研基金资助项目(编号 :2003A 002) 作者简介 :张雪皎(1980), 男 , 湖北 当阳人 , 三 峡大学电 气信 息学院 硕士研究生 , 研究方向为微弱信号检测 。
图 2 APD 雪崩探测原理 用于单光子探测 APD 的两 个最重 要的特性 是量子 效率
探测的器件 有 :光电 倍增管(PMT), 雪崩 光电二 级管(APD), 超紫 外和可见光谱范围使其无法在红外通信 波段中应 用 , 抗
真空雪崩光电二极管(VAPD)和 增强光 电二极管(IPD), 超导 单光子探测器(SSPD)和超导转换边缘传感器(TES)等〔1-5〕 。
外磁 场差 , 使用维护 复杂等 , 因 此不 少国家 和机 构投入 大量 人力 物力继续对 PMT 进行研究改进 。
Then give a view for the perspective and the development of these devi ces .
Key words:single-photon detector ;PMT;APD ;SSPD
随着探测技术的发展 , 人们对信号 探测灵敏 度的要求逐 一定的级间电压 。 对精密 测量 用光 电倍增 管要 求有很 高的
作温度 , 但温度的降 低也导 致灵 敏度 的下降 , 因 此最 好是根 据管子特性选择合适的工作温度 , 最近 出现的半 导体帕尔贴
电热制冷已取代传统的液氮制冷方式 , 能使 APD 工 作在最佳 工作温度下 , 取得了很好的效果 。
APD 的 内部制作工艺也在不 断的改进中 , 相对于传统的 线性倍增 APD, 测单光子用 APD 要考虑到光子信号离散的特 点 , 改进器件以达到 减小暗 电流 热噪 声的目 的 , 如采 用表面
记数就可以确定光电子的数目 。
生光 电子 , 光电子在 电场的 作用 下进入 耗尽 层并被 加速 , 高
速运 动时与晶格发生碰撞产生新的电子空穴 对 , 新 的电子空
穴对 在电场作用下被加速 并再 次与 晶格发 生碰 撞产生 更多
的 电子 空穴 对 , 如此 反复 形成 雪崩 倍增 , 将信 号电 流放 大 。
平坦结构增大光敏面积 , 分 离吸 收和 倍增区 , 改 进掩 膜和扩 散技术对边缘弯曲部分的处理 , 在边缘 增加安全 环结构以降 低边缘击穿可能性等都为减小暗记数率而考虑〔16〕 。
APD 的光谱响应 范围很 广 , 这是 它的 一大 优点 , 其中 Si
-APD 工作在 400nm ～ 1100nm, Ge -APD 在 800nm ～ 1550nm , InGaAs-APD 在 900nm ～ 1700nm。 尤 其是在光 纤传输 损耗较 小的红外波段 InGaAs -APD 有很 大优 势 。 APD 单 光子 探测
雪崩 过程如图 2 所示 。
图 1 光电倍增管工作原理 Ev :入射光 ;K :阴极 ;a:阳极 ;D :聚焦极 D1 -D10:倍增极 ;RL:负载 ;Vo:输出电压 光电倍增管工作原理如图 1 所 示 , 在阴 极 K 与阳 极 a 之 间加上上千伏的高压 , 同时 在阴 极 、打拿级 和阳 极之 间分配
的暗记数很多 。 后来又发展了门控模式 , 即让 APD 两端的电 压低于雪崩电压 , 当光子要到达时向 APD 提供一个 门脉冲电
压使其处于接受单光子状态 , 雪崩过后即将门 关上使 APD 两 端电压恢复 到低电压 状态 。 门 模式 可以更 有效 的降 低猝灭
时间和减少 恢 复时 间与 暗记 数 , 并且 延长 了 APD 的工 作寿 命 。通过门 控方式 , 使由于热激发而产 生暗记数 的概率大大 降低 。因此 现在大多数单 光子探测 研究用 的 APD 电 路都用
的重要地位 , 它已经成为各发达国家光 电子学界 重点研究的 输响 应时间为纳秒量级 , 光 谱响 应范围 由光 阴极 材料决 定 ,
课题之一 。
工作在近紫 外及 可 见光 范围 , 在该 范围 内 量子 效率 一 般在
因为单光子已不是 连续 光 , 并且单 光子 能量很 小 , 产生 30 %左右 。
象检测 、精密 分析 、大 气 测污 、生 物 发光 、放射 探 测 、高 能物 用的 特性为与光谱响应度有关的量子效率 , 与入射 光波长和
理 、天文测光 、光时域反射(OTDR)、量子密钥分发系统(QKD) 灵敏 度有关的光谱响应特性 , 增益(一般 为 104 ～ 107)和暗电
等领域有着 广泛的应 用 。 由于 单光 子探测 器在 高技 术领域 流 。 一般倍增 光电管阴极与阳极之间电压为 上千伏 , 电子传
间缩短至 120ns , 记数率达到 8MHz 以上 。 对 APD 外围电路的改进另 一方面 是增加 或改进 制冷电
路 , 由于 APD 对温度变 化非常敏 感 , 其雪崩电 压 、隧穿 噪声 、 暗电流热噪声等都随着温度而变化 , 要 使其稳定 的工作必须 将其放在恒定的温度下 , 为了减少噪声应尽量 降低 APD 的工
成的真空雪崩光电二极管(VAPD)。VAPD 由光阴极和一个大光 敏面积的 APD 封装在真空容器中 。 入射光照到光阴极产生的
光电子 , 在强电场中被加速, 与 APD 碰撞后产生大量电子空穴 对。两者增益可达 106 , 此外 ,VAPD 还具有低噪声和动态范围大
的优点。 增强光电二极管(IPD)则是让光电子经强电场加速聚 焦后打到半导 体 PIN 结或 肖特基 二极管 上而得 到高的 增益。
渐提高 , 新的材料的运用和探测手段的 进步可以 将被噪声覆 电源 稳定度 , 各分压电阻链的设计要保证较高的线性度 。
盖的微弱信号探测出来 。 在微弱信号探测 领域中 , 单光子探
光电倍增 管的基本 特性 有灵敏 度和 光谱响 应度 、线 性 、
测技术在高分辨率的光 谱测 量 、非破 坏性物 质分 析 、高速Fra Baidu bibliotek 光 谱响应 、增益 和阳极 暗电流 。 对单光子 探测来 说 , 主要有
课题 。 全主动抑制电 路是 最近 刚出 来的 一个 技术〔11〕 , 其 原理
为用精确的时序开关控制电路雪崩猝灭与 恢复过程 , 将雪崩 信号反馈到 APD 加速 其猝 灭 , 而后将 与 APD 串联 的高 阻切 换为低电阻 从而达到 快速 充电恢 复的 目的 。 此 方式 使死时
《
激光杂志》
2007
张雪 年第
皎等 :单光子探测器件的发展与应用 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL(Vol
.28 .No
.5 .2007)
13
单光子探测器件的发展与应用
张雪皎 , 万钧力
(三峡大学电气信息学院 , 宜昌 443002)
提要 :介绍了最近几年单光子探测技术的应用和研究进展 。 阐述了光电倍增管 、雪崩光电二极管和超导单光子探测器的基本工作原理 , 分
析了它们的相关参数并进行了比较 。 讨论了各器件的工作特点及优缺点 , 最后对单光子探测技术应用发展前景作了展望 。
关键词 :单光子探测器 ;PMT :APD ;SSPD
中图分类号 :O572 .21 +2 文献标识码 :A 文章编号 :0253-2743(2007)05 -0013 -03
器具有量子效率高 、功耗低 、工作频谱范围大、体积小、工作电压 较低等优点, 但同时也有增益低 、受温度影响大 , 噪声大、记数率
低、外围控制电路及热电制冷电路复杂等缺点, 目前大量的研究 集中在改进 APD 的制作工艺〔11〕与外围电路两方面 。
针对 PTM 和 APD 的特点, 研究人员开发出了由两者结合而
1 光电倍增管(PMT)
光电倍增管是利用 外光电 效应 来探测 光信 号的 电真空 器件 。 主要由光阴极 、打拿级和阳极 组成 。 当光 信号照射到 阴极表面时 , 光 电 阴极 吸 收光 子并 由 外光 电效 应 产生 光电 子 , 光电子在 PMT 内强电场的作用下被加速后碰到 打拿级并
目前对 PMT 的改进一般有 选用新 的光阴极 材料以 拓宽 光谱 响应范围 , 使用棱镜改变入射角和 改变光电阴 极构型来 提高 光阴极光子吸收能 力〔7〕 , 改变 打拿 级的形 状及 数量(如 微通 道板〔9〕)以增加 增益 , 在外 电路 方面优 化分 压电路 以提 高线 性度〔6〕 , 采用半导体制冷器件来降 低暗电流以 减小暗记 数脉 冲和提高量子效率〔10〕 。
The development and application of single -photon detectors
ZHANG Xue -jiao, WAN Jun -li
(The College of Electrical Engineering &Information Technology , China Three Gorges University , Yichang 443002 , China)
产生更多的二次电子 , 这样经过多次加 速与碰撞 就产生足够 多的电子 , 由阳极收 集并输 出形 成电 流被检 测出 来 , 并且电
2 雪崩光电二级管(APD)
流的大小反映了光信号的强弱 。 对于单光 子探测 , 当单光子
雪崩光电二级管是利用内光电效应探测 光信号的 器件 ,
打在阴极时 , 产生的光电流是离散的 脉冲形式 。 对脉冲进行 在 APD 两端加上 反偏 电压 , 光子 被 APD 的吸 收层 吸收 并产
由于要使 APD 的灵敏度达到能探测单光子 , 其 工作电压
要高于雪崩击穿电压 , 这种工作模式 称为盖革 模式 。 在盖革 模式下 , 任何光子的 吸收都 会产 生自 持雪崩 , 如 不加 以抑制
将导致 APD 的损坏 , 所以需要抑制电路进行控制 。 早期有无 源抑制和有源抑制电路 , 这种电路使 APD 处于高于 雪崩电压 状态 , 对其寿命有不 利影响 , 并 且由 后脉冲 和散 粒噪 声导致
Abstract:The development and application of single -photon detectors are introduced .The operating principles of photomultiplier tube(PMT), avalanche
photodiode(APD)and superconducting , single-photon detector(SSPD)are expounded .The characteri stic , advantages and disadvantages of them are discussed .
.5 .2007)
60 %的光子探 测效率 , 暗计数低 于 100 每秒 。 对 于长波长范
围 , 有报道用 InGaAs-InPAPD 对 1550nm 可以达 到 10 %的光 子探测效率 , 50%的量子效率〔12〕 。 暗记数率起因于后脉冲记
数 , 隧穿效应 , 散粒噪声及热噪声等 , 与 APD 两端偏压 , 温度 , 过剩噪声因子等因素有关 。
的光电流比室温下光电检测器本身的噪声 还低 , 所以需要特
由于 PMT 具有高增益 , 低噪声等效功率(暗电流小)等优
别的仪器和 检测手段 。 目前单 光子 检测技 术基 本上 都是在 点 , 在光电检测领域 获得广 泛的 应用 , 但它 也有 些缺点 限制
以前微弱光信号检测的基础上发展起来的 , 已用 来做单光子 了在某些方面 的应用 , 如体积庞大 、反向偏压 高 , 只 能工作在
和暗计数率 。 量子效率与器件结 构 、工 作波长及光 吸收区材 料有关 , 在 400-900nm 范围 , 盖革模 式下 , 硅 APDs 可 以达到
14
《
激光杂志》
2007
张雪 年第
皎等 :单光子探测器件的发展与应用 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL(Vol
.28 .No
收稿日期 :2007 -03 -20 基金项目 :湖北省教育厅重点科研基金资助项目(编号 :2003A 002) 作者简介 :张雪皎(1980), 男 , 湖北 当阳人 , 三 峡大学电 气信 息学院 硕士研究生 , 研究方向为微弱信号检测 。
图 2 APD 雪崩探测原理 用于单光子探测 APD 的两 个最重 要的特性 是量子 效率
探测的器件 有 :光电 倍增管(PMT), 雪崩 光电二 级管(APD), 超紫 外和可见光谱范围使其无法在红外通信 波段中应 用 , 抗
真空雪崩光电二极管(VAPD)和 增强光 电二极管(IPD), 超导 单光子探测器(SSPD)和超导转换边缘传感器(TES)等〔1-5〕 。
外磁 场差 , 使用维护 复杂等 , 因 此不 少国家 和机 构投入 大量 人力 物力继续对 PMT 进行研究改进 。
Then give a view for the perspective and the development of these devi ces .
Key words:single-photon detector ;PMT;APD ;SSPD
随着探测技术的发展 , 人们对信号 探测灵敏 度的要求逐 一定的级间电压 。 对精密 测量 用光 电倍增 管要 求有很 高的
作温度 , 但温度的降 低也导 致灵 敏度 的下降 , 因 此最 好是根 据管子特性选择合适的工作温度 , 最近 出现的半 导体帕尔贴
电热制冷已取代传统的液氮制冷方式 , 能使 APD 工 作在最佳 工作温度下 , 取得了很好的效果 。
APD 的 内部制作工艺也在不 断的改进中 , 相对于传统的 线性倍增 APD, 测单光子用 APD 要考虑到光子信号离散的特 点 , 改进器件以达到 减小暗 电流 热噪 声的目 的 , 如采 用表面
记数就可以确定光电子的数目 。
生光 电子 , 光电子在 电场的 作用 下进入 耗尽 层并被 加速 , 高
速运 动时与晶格发生碰撞产生新的电子空穴 对 , 新 的电子空
穴对 在电场作用下被加速 并再 次与 晶格发 生碰 撞产生 更多
的 电子 空穴 对 , 如此 反复 形成 雪崩 倍增 , 将信 号电 流放 大 。
平坦结构增大光敏面积 , 分 离吸 收和 倍增区 , 改 进掩 膜和扩 散技术对边缘弯曲部分的处理 , 在边缘 增加安全 环结构以降 低边缘击穿可能性等都为减小暗记数率而考虑〔16〕 。
APD 的光谱响应 范围很 广 , 这是 它的 一大 优点 , 其中 Si
-APD 工作在 400nm ～ 1100nm, Ge -APD 在 800nm ～ 1550nm , InGaAs-APD 在 900nm ～ 1700nm。 尤 其是在光 纤传输 损耗较 小的红外波段 InGaAs -APD 有很 大优 势 。 APD 单 光子 探测
雪崩 过程如图 2 所示 。
图 1 光电倍增管工作原理 Ev :入射光 ;K :阴极 ;a:阳极 ;D :聚焦极 D1 -D10:倍增极 ;RL:负载 ;Vo:输出电压 光电倍增管工作原理如图 1 所 示 , 在阴 极 K 与阳 极 a 之 间加上上千伏的高压 , 同时 在阴 极 、打拿级 和阳 极之 间分配
的暗记数很多 。 后来又发展了门控模式 , 即让 APD 两端的电 压低于雪崩电压 , 当光子要到达时向 APD 提供一个 门脉冲电
压使其处于接受单光子状态 , 雪崩过后即将门 关上使 APD 两 端电压恢复 到低电压 状态 。 门 模式 可以更 有效 的降 低猝灭
时间和减少 恢 复时 间与 暗记 数 , 并且 延长 了 APD 的工 作寿 命 。通过门 控方式 , 使由于热激发而产 生暗记数 的概率大大 降低 。因此 现在大多数单 光子探测 研究用 的 APD 电 路都用
的重要地位 , 它已经成为各发达国家光 电子学界 重点研究的 输响 应时间为纳秒量级 , 光 谱响 应范围 由光 阴极 材料决 定 ,
课题之一 。
工作在近紫 外及 可 见光 范围 , 在该 范围 内 量子 效率 一 般在
因为单光子已不是 连续 光 , 并且单 光子 能量很 小 , 产生 30 %左右 。
象检测 、精密 分析 、大 气 测污 、生 物 发光 、放射 探 测 、高 能物 用的 特性为与光谱响应度有关的量子效率 , 与入射 光波长和
理 、天文测光 、光时域反射(OTDR)、量子密钥分发系统(QKD) 灵敏 度有关的光谱响应特性 , 增益(一般 为 104 ～ 107)和暗电
等领域有着 广泛的应 用 。 由于 单光 子探测 器在 高技 术领域 流 。 一般倍增 光电管阴极与阳极之间电压为 上千伏 , 电子传
间缩短至 120ns , 记数率达到 8MHz 以上 。 对 APD 外围电路的改进另 一方面 是增加 或改进 制冷电
路 , 由于 APD 对温度变 化非常敏 感 , 其雪崩电 压 、隧穿 噪声 、 暗电流热噪声等都随着温度而变化 , 要 使其稳定 的工作必须 将其放在恒定的温度下 , 为了减少噪声应尽量 降低 APD 的工
成的真空雪崩光电二极管(VAPD)。VAPD 由光阴极和一个大光 敏面积的 APD 封装在真空容器中 。 入射光照到光阴极产生的
光电子 , 在强电场中被加速, 与 APD 碰撞后产生大量电子空穴 对。两者增益可达 106 , 此外 ,VAPD 还具有低噪声和动态范围大
的优点。 增强光电二极管(IPD)则是让光电子经强电场加速聚 焦后打到半导 体 PIN 结或 肖特基 二极管 上而得 到高的 增益。
渐提高 , 新的材料的运用和探测手段的 进步可以 将被噪声覆 电源 稳定度 , 各分压电阻链的设计要保证较高的线性度 。
盖的微弱信号探测出来 。 在微弱信号探测 领域中 , 单光子探
光电倍增 管的基本 特性 有灵敏 度和 光谱响 应度 、线 性 、
测技术在高分辨率的光 谱测 量 、非破 坏性物 质分 析 、高速Fra Baidu bibliotek 光 谱响应 、增益 和阳极 暗电流 。 对单光子 探测来 说 , 主要有