光子计数技术.ppt

• 国内成功地制作了850nm波长的单光子 探测器，并在850nm的单模光纤中完成 了量子密码通信演示性实验。
• APD单光子计数具有量子效率高、功耗 低、工作频谱范围大、体积小、工作电 压较低等优点，
• 但是同时也有增益低、噪声大，外围控 制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。
• 总的来说，比起国外目前的水平，我国 在单光子探测领域还有较大差距。
• 其主要特点有：低噪声、动态范围大、 分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱 范围宽等特点。
• 这种单光子探测器的出现，对人们探索 高技术领域将起到积极的推动作用。
单光子探测器的现状及其发展
• 对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗 电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术 已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。
当耗尽层中的电场强度达到一定程度时（材料不 同，电场大小也不一样，如：Si-APD为 105V/cm），耗尽层中的光生电子空穴对就会被 电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生 碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对， 新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的 动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子 空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增， 使信号电流放大。
定义tw为电流的脉冲宽度， 典型值为10~20ns。
取光电倍增管的增益G=106， tw=20ns ， 则 可 计 算 出 阳 极 电流脉冲的高度为：
Ia

106 q tw

106
1.6 1019 库仑 20 109 秒
8(A)
• 阳极输出电压脉冲Va的形状与大小，与阳极负载Ra 和分布电容Ca有很大的关系。 设计得好的光子计数器，分布电容Ca≤20pF，
目前应用的APD主要有三种： • Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。
它们分别对应不同的波长。 • Si-APD主要工作在400nm～1100nm， • Ge-APD在800nm～1550nm， • InGaAs-APD则在900nm～1700nm。
• 已经有了相关的报道：在光通信三个波 段（即850nm、1310nm和1550nm）的 单光子探测器用于量子密钥系统。
• 单光子探测需要的光电倍增管要求： 增益高、暗电流小、噪声低、量子效率高、 较小的上升和下降时间。
• 特点： 优点：有高的增益（104～107） 大光敏面积 低的噪声等效功率（NEP） 缺点：体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、 仅能够工作在UV和可见光谱范围内， 抗外部磁场能力较差。
2、雪崩光电二极管（APD）单光子探测器
• 假设每个倍增极的倍增系数是相等的。 若m的取值范围按3~6计，n按9~14计， 则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010， 一般为105~108之间。
4 PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算
光电倍增管吸收一个光子后， 在阳极形成一个电流脉冲， 则其形状如图（b）所示。
图a为电荷累积的时间宽度，
3、真空雪崩光电二极管（VAPD） 单光子探测器
• 针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪 崩光电二极管（VAPD）单光子探测器，它是由 光阴极和一个具有大光敏区面积的半导体硅APD 组成。
• 光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到 光阴极上，产生光电子，这些光电子在高压电场 的作用下加速，然后再打到APD上。
1.光电倍增管的偏置电路
• 光电倍增管的偏置电路可用电阻分压器组成。 一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。 原则：各倍增极电压在80~150V之间。
• 理论分析表明：各倍增极电压的稳定与否将严重地 影响光电倍增管增益G的稳定性。
0 — －2kV
• 倍增极电流在分压电路中，随着倍增极电流的增大， 对分压电阻电流的分流愈大，因而会造成倍增极电压 的不稳定，尤其是靠近阳极的最后几个倍增极。
• 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来 量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的 重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和 1550nm）单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。
• 这个波段光电倍增管却显得无能为力，即使是最好 的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经 截止了，仅这一点就排除了光电倍增管在红外通信 波段的应用。
光电信号处理
第五章 光子计数技术
第五章 光子计数技术
§5.1 光电倍增管 §5.2 光电倍增管的偏置电路与接地方式 §5.3 光子计数器中的放大器 §5.4 光子计数器测量弱光的上限 §5.5 光子计数器中的鉴别器 §5.6 光电倍增管的单光子响应峰 §5.7 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择 §5.8 光子计数器的测量误差分析 §5.9 光子计数器的测量方法与应用 §5.10 模拟光子计数器
• 渡越时间离散Δ τ 和渡越时间τ 都和光电倍增管的 结构有关。
• 要求：渡越时间短，渡越时间离散小。
• 直列聚焦式光电倍增管的结构如图所示。它的倍 增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构 可形成一个聚焦电场，使前级的二次发射电子能 准确地射到本倍增极的中央。
• 另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电 荷效应，因此这种结构的光电倍增管其渡越时间 离散Δ τ 很小，渡越时间τ 也较小。
单光子计数器的组成
• 单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器， 幅度鉴别器和计数器构成。
• 高压电源是使PMT正常工作； • PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。
系统工作原理
PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后， 再经过打拿极放大，输出至阳极。
阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出， 经过放大器信号放大后送到鉴别器， 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别
计数器。 对用于光子计数器的光电倍增管有一些特 殊的要求。
1 光电倍增管的工作原理
• 光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转 变为光电信号的探测器。
• 光电倍增管的结构示意图:
D2 D4 D6 D8 D10
K
A
D1 D3 D5 D7 D 9
K是光电阴极，D是聚焦极， D1~D10为倍增极（打拿极），A为阳极 光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应
• 但由于制造工艺的问题，目前还没有专门 针对单光子探测的InGaAs-APD。
• 国外对这两个波段的单光子探测的报道， 一般都是关于利用现有针对光纤通信的商 用APD，通过优化外围驱动电路，改善工 作环境，使其达到单光子探测的目的。
目前人们对单光子探测器将主要从两个方面 去研究，
• 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构 的光探测器，
• 为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要 求各分压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR 比最大阳极电流Iamax大得多。
• 通常要求：IR≥20Iamax
• 注意：IR值也不能取得太大，否则分压电阻的功耗增 大，分压电阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温 度明显升高，从而增加热电子发射，增加了噪声。
• 雪崩光电二极管不同于光电倍增管 • 它是一种建立在内光电效应基础上的光
电器件。 • 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的
作用，一个光子可以产生10~100对光生 电子空穴对，从而能够在器件内部产生 很大的增益。
• 雪崩光电二极管的工作原理：
工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中 的电场强度也就越大。
• 对于硅APD，这些光电子的能量约为硅带隙能量 的2000倍，这样一个光电子就能产生大于2000 对的电子空穴对。在VAPD中，Si-APD的典型增 益为500倍，因而VAPD的增益可以达到106倍。
• VAPD单光子探测器是一种PMT和APD 相结合的产物，具有许多PMT和APD无 法比拟的优点。
单光子探测技术的应用领域： • 高分辨率的光谱测量、 • 非破坏性物质分析、 • 高速现象检测、 • 精密分析、大气测污、 • 生物发光、放射探测、 • 高能物理、天文测光、光时域反射、 • 量子密钥分发系统等。 由于单光子探测器在高技术领域的重要地位， 已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一
单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以 及其它不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。
• 取阳极负载Ra=50Ω ，则阳极时间常数RaCa=1ns。 • 在这种情况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，如
图（c）所示。
• 加大电容将使脉冲变小变宽；加大电阻则将使脉冲 变大变宽，均不符合光子计数的要求。
• 在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为：
Va I a Ra 8(A) 50() 0.4(mV源自文库)
N1
为该倍增极的倍增系数。 倍增系数又称为二次电子发射系数，
m值一般为3~6， 与倍增极的材料和工作偏压而定。 • 新的倍增极材料，m值可达50甚至更高。
• 在理想情况下，设阴极和倍增极发射的 电子都被阳极所收集，则光电倍增管的 增益G和倍增极的二次电子发射系数m之 间的关系为:
G mn
n为倍增极的个数，一般为9~14，
• 若将其光阴极也制成曲面形状，则这种管子最为 适宜作光子计数器使用。
聚焦电极
K
A
3 光电倍增管的增益与二次电子发射系数
• 由光电阴极与第一倍增极D1之间形成的 电流称为阴极电流Ik，
• 由最后一个倍增极与阳极之间形成的电 流是阳极电流Ia。
• 倍增管的增益G定义为：
G Ia Ik
• 设某一倍增极的入射电子数为N1， 在N1的激发下，产生的二次电子数为N2，则 定义： m N2
2 倍增极结构与渡越时间
• 渡越时间: 发从射光的电二阴次极电K接子受为一止个所光需子的开时始间，为到τ 阳。极收集到D10
• 渡越时间离散性： 射τ 二只次是电一子个，平各均极值二。次从电D子1发飞射越二的次轨电道子不，可到能D完10全发 一致，渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极 从收集到第一个电子和最后一个电子的时间是不同 的，这个时间差，就称为渡越时间离散，记为Δ τ 。
• 在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很 高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们 还是选用Si-APD雪崩光电二极管。
• 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si－APD也已 经有了比较好的制造工艺。
• 国外已经有公司开发出了专门针对850nm单光 子探测的商用Si-APD。
• 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经 不能用于进行单光子探测了，因此在这两 个波段一般选用InGaAs-APD，
• 注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计 算得出的，不同的光电倍增管，其增益G是不同的， 且G与偏置电压有关。
§5.2 光电倍增管的偏置电路与接地方式
为了使得光子计数器的光电倍增管正常 地工作，获得稳定的增益G并使阳极输出 电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度， 必须设计合理的偏置电路。
光子计数技术概述
• 单光子探测技术是一种极微弱光探测法
所探测的光强度比光电传感器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，
用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声 中的信号提取出来。
• 单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输 出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术 和数字计数技术把极其微弱的光信号识别并提 取出来。
电平来减少暗电流和干扰， 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， • 光电倍增管（PMT） • 雪崩光电二极管（APD） • 增强型光电极管（IPD） • 微通道板（MCP） • 微球板（MSP） • 真空光电二极管（VAPD）
1、光电倍增管（PMT）单光子探测器
• 另一方面，研究和改进探测器的外围控制 驱动技术，利用现有的探测器进行单光子 探测。
• 光子成像技术
• 下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器 的原理与方法。
§5.1 光子计数器中的光电倍增管
光电倍增管是光子计数器的核心部件， 它将接收到的光子转变为电脉冲信号， 光电倍增管正常工作，必须配备高压电源。 为了降低噪声，还配备致冷器 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子