单光子探测器件的发展与应用
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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 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 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
Then give a view for the perspective and the development of these devices.
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 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 盖的微弱信号探测出来 。在微弱信号探测领域中 ,单光子探 测技术在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 (OTDR) 、量子密钥分发系统 (QKD) 等领域有着广泛的应用 。由于单光子探测器在高技术领域 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 课题之一 。
的电子空穴对 ,如此反复形成雪崩倍增 ,将信号电流放大 。 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
Abstract :The development and application of single - photon detectors are introduced. The operating principles of photomultiplier tube ( PMT) , avalanche
因为单光子已不是连续光 ,并且单光子能量很小 ,产生 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 别的仪器和检测手段 。目前单光子检测技术基本上都是在 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 探测的器件有 :光电倍增管 ( PMT) ,雪崩光电二级管 (APD) , 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〕。
由于 PMT 具有高增益 ,低噪声等效功率 (暗电流小) 等优 点 ,在光电检测领域获得广泛的应用 ,但它也有些缺点限制 了在某些方面的应用 ,如体积庞大 、反向偏压高 ,只能工作在 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 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 。
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 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。
photodiode (APD) and superconducting , single - photon detector (SSPD) are expounded. The characteristic , advantages and disadvantages of them are discussed.
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 :2003A002) 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 和暗计数率 。量子效率与器件结构 、工作波长及光吸收区材
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〕。
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 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 流的大小反映了光信号的强弱 。对于单光子探测 ,当单光子 打在阴极时 ,产生的光电流是离散的脉冲形式 。对脉冲进行 记数就可以确定光电子的数目 。
一定的级间电压 。对精密测量用光电倍增管要求有很高的 电源稳定度 ,各分压电阻链的设计要保证较高的线性度 。
光电倍增管的基本特性有灵敏度和光谱响应度 、线性 、 光谱响应 、增益和阳极暗电流 。对单光子探测来说 ,主要有 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 灵敏度有关的光谱响应特性 ,增益 (一般为 104～107) 和暗电 流 。一般倍增光电管阴极与阳极之间电压为上千伏 ,电子传 输响应时间为纳秒量级 ,光谱响应范围由光阴极材料决定 , 工作在近紫外及可见光范围 ,在该范围内量子效率一般在 30 %左右 。
料有关 ,在 400 - 900nm 范围 ,盖革模式下 ,硅 APDs 可以达到
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《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .ຫໍສະໝຸດ Baidu
28.
No
.
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 。
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 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
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
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
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
The development and application of single - photon detectors
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 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 。
ZHANG Xue - jiao ,WAN Jun - li
( The College of Electrical Engineering & Information Technology , China Three Gorges University , Yichang 443002 ,China)
《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .
28.
No
.
5
.
2007)
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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 。
2 雪崩光电二级管 (APD)
雪崩光电二级管是利用内光电效应探测光信号的器件 , 在 APD 两端加上反偏电压 ,光子被 APD 的吸收层吸收并产 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
IPD 具有高的量子效率、大的波长范围 (400～700nm) 及低噪声和 高响应速度。对 VAPD 和 IPD 需要进一步研究以优化结构改善 其性能减小体积和提高性价比 。
3 超导体单光子探测器 (SSPD)
相对于前面两种在市场上应用的较多较成熟的晶体管 探测器来说 ,基于 NBN 的超导体单光子探测是近几年发展 起来的一项新技术〔13 ,14 ,15〕,国内报道并不多 。其工作原理如 下 ,使器件工作于低于 NBN 的临界温度 (10 - 11K) 的超导转 换温度 (4. 2K) , 偏 电 流 接 近 临 界 电 流 ( SSPD 一 般 是 10 ～ 30μA) ,光子被吸收将使超导体吸收点的弱束缚库珀电子对 断裂形成有弱电阻的“热点”,在最初热化时 ,热点区域扩大 , 热电子从热点中心向外扩散 ,超电流被有阻碍的热区向边缘 排开 ,导致临界电流密度局部增加和形成电阻片段 ,如果重 分配的电流密度超过临界值 ,将会使相态发生变化 ,超导电 性被破坏 ,生成的电阻使器件产生与电流成比例的电压脉冲 信号被放大和探测出来 。～30ps 后 ,扩散的受激电子冷却下 来 ,热区消失 ,系统又恢复到原来的状态准备接受下一个电 子 。热点形成及电流变化如图 3 (1) 。
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 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 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
Then give a view for the perspective and the development of these devices.
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 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 盖的微弱信号探测出来 。在微弱信号探测领域中 ,单光子探 测技术在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 (OTDR) 、量子密钥分发系统 (QKD) 等领域有着广泛的应用 。由于单光子探测器在高技术领域 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 课题之一 。
的电子空穴对 ,如此反复形成雪崩倍增 ,将信号电流放大 。 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
Abstract :The development and application of single - photon detectors are introduced. The operating principles of photomultiplier tube ( PMT) , avalanche
因为单光子已不是连续光 ,并且单光子能量很小 ,产生 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 别的仪器和检测手段 。目前单光子检测技术基本上都是在 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 探测的器件有 :光电倍增管 ( PMT) ,雪崩光电二级管 (APD) , 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〕。
由于 PMT 具有高增益 ,低噪声等效功率 (暗电流小) 等优 点 ,在光电检测领域获得广泛的应用 ,但它也有些缺点限制 了在某些方面的应用 ,如体积庞大 、反向偏压高 ,只能工作在 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 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 。
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 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。
photodiode (APD) and superconducting , single - photon detector (SSPD) are expounded. The characteristic , advantages and disadvantages of them are discussed.
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 :2003A002) 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 和暗计数率 。量子效率与器件结构 、工作波长及光吸收区材
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〕。
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 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 流的大小反映了光信号的强弱 。对于单光子探测 ,当单光子 打在阴极时 ,产生的光电流是离散的脉冲形式 。对脉冲进行 记数就可以确定光电子的数目 。
一定的级间电压 。对精密测量用光电倍增管要求有很高的 电源稳定度 ,各分压电阻链的设计要保证较高的线性度 。
光电倍增管的基本特性有灵敏度和光谱响应度 、线性 、 光谱响应 、增益和阳极暗电流 。对单光子探测来说 ,主要有 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 灵敏度有关的光谱响应特性 ,增益 (一般为 104～107) 和暗电 流 。一般倍增光电管阴极与阳极之间电压为上千伏 ,电子传 输响应时间为纳秒量级 ,光谱响应范围由光阴极材料决定 , 工作在近紫外及可见光范围 ,在该范围内量子效率一般在 30 %左右 。
料有关 ,在 400 - 900nm 范围 ,盖革模式下 ,硅 APDs 可以达到
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《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .ຫໍສະໝຸດ Baidu
28.
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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 。
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 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
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
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
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
The development and application of single - photon detectors
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 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 。
ZHANG Xue - jiao ,WAN Jun - li
( The College of Electrical Engineering & Information Technology , China Three Gorges University , Yichang 443002 ,China)
《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .
28.
No
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2007)
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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 。
2 雪崩光电二级管 (APD)
雪崩光电二级管是利用内光电效应探测光信号的器件 , 在 APD 两端加上反偏电压 ,光子被 APD 的吸收层吸收并产 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
IPD 具有高的量子效率、大的波长范围 (400～700nm) 及低噪声和 高响应速度。对 VAPD 和 IPD 需要进一步研究以优化结构改善 其性能减小体积和提高性价比 。
3 超导体单光子探测器 (SSPD)
相对于前面两种在市场上应用的较多较成熟的晶体管 探测器来说 ,基于 NBN 的超导体单光子探测是近几年发展 起来的一项新技术〔13 ,14 ,15〕,国内报道并不多 。其工作原理如 下 ,使器件工作于低于 NBN 的临界温度 (10 - 11K) 的超导转 换温度 (4. 2K) , 偏 电 流 接 近 临 界 电 流 ( SSPD 一 般 是 10 ～ 30μA) ,光子被吸收将使超导体吸收点的弱束缚库珀电子对 断裂形成有弱电阻的“热点”,在最初热化时 ,热点区域扩大 , 热电子从热点中心向外扩散 ,超电流被有阻碍的热区向边缘 排开 ,导致临界电流密度局部增加和形成电阻片段 ,如果重 分配的电流密度超过临界值 ,将会使相态发生变化 ,超导电 性被破坏 ,生成的电阻使器件产生与电流成比例的电压脉冲 信号被放大和探测出来 。～30ps 后 ,扩散的受激电子冷却下 来 ,热区消失 ,系统又恢复到原来的状态准备接受下一个电 子 。热点形成及电流变化如图 3 (1) 。
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 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〕。