华南理工-雪崩光电二极管APD的特性与单光子探测研究
雪崩光敏二极管,单光子探测
单光子探测技术
SPAD
单光子检测中，通常以光电倍增管和雪崩光敏二极管作为代表性的单光子检测 器件。光电倍增管由于具有极高的灵敏度，较低的噪声和快速响应的特性，过 去一直是单光子探测的首选器件，而现在由于更多的实际应用，半导体类单光 子探测器件收到广泛的关注，其中最常见的是雪崩光电二极管。 实现单光子检测的基本要求： 一是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度 二是背景噪声要尽可能少
Photomultiplier Tube
(a)输入光较强时PMT输出有涨落的直流量。
(b)输入光较弱时PMT输出光电流不再是 连续的。
(c)输入光极弱时PMT输出离散的脉冲。
雪崩光敏二极管简介
Avalanche Photodiodes
Avalanche Photodiodes
Operating Principle
Quenching Circuits
雪崩阶段
一个光子被处于就绪态的APD接收 到时,APD两端的电压在几个fs的时 间内降为比雪崩电压值低一些, 电 容Cg 开始通过电阻Rs 放电, Rs上产 生一个脉冲信号. 经过约RsCg 的时 间, Cg上的电压降到与APD两端的 电压一致, 流经APD的电流小于 APD的熄灭阈值, 雪崩停止.
Quenching Circuits
有源淬灭电路
Quenching Circuits
将无源抑制扩展为有源抑制, 获得了更短的死时 间、更小的暗计数和更高的计数率. 有源抑制方 式中APD产生电脉冲信号的过程与无源抑制相同, 所不同的是在有源抑制电路中通过外围电路迅速 抑制雪崩并将APD恢复到等待状态以使它能探测 下一个光子, 从而大大降低了死时间 主动淬火电路是指在雪崩发生时, 不是通过其 自身增长的电流产生压降来淬灭, 而是通过一个 能够感应雪崩的模块产生一个电平反馈, 主动切 断电路工作状态, 并在很短的时间之后重新启动 电路
雪崩光电二极管特点
雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种用于光电转换的器件，它具有一些独特的特点和优势。
本文将对雪崩光电二极管的特点进行详细解释，并在标题中心扩展下进行描述。
1. 雪崩放大效应：雪崩光电二极管通过雪崩放大效应来增强光电转换的效率。
当光子入射到APD中时，产生的电子被高电场加速，撞击到晶格中的原子，使其激发出更多的载流子。
这种级联的雪崩效应可以将光子能量转化为电流信号，并使其放大，从而提高光电转换的灵敏度。
2. 高增益：与传统的光电二极管相比，雪崩光电二极管具有更高的增益。
其内部的雪崩效应可以使电子数目成倍增加，从而大幅度提高输出信号的强度。
这使得雪崩光电二极管在弱光条件下具有更高的信噪比和探测灵敏度，可以探测到较弱的光信号。
3. 宽波长响应范围：雪崩光电二极管的波长响应范围较宽，可以覆盖可见光、红外光等多个波段。
这使得它在不同应用领域具有广泛的适用性。
例如，可以用于光通信、光谱分析、光电检测等领域。
4. 低噪声：雪崩光电二极管具有较低的噪声特性，这是因为它在雪崩放大过程中产生的噪声被级联放大后被抑制。
这使得它在高速光通信和高精度测量等应用中具有优势。
5. 高速响应：由于雪崩放大过程的快速响应特性，雪崩光电二极管具有较高的响应速度。
它可以快速转换光信号为电流信号，适用于高速光通信和高速数据传输等应用。
6. 低工作电压：相比于光电二极管，雪崩光电二极管的工作电压较低。
这使得它在功耗上具有优势，可以降低系统的能耗。
7. 较小尺寸：雪崩光电二极管具有较小的尺寸，重量轻，体积小。
这使得它在集成光学系统和微型设备中的应用更加方便。
雪崩光电二极管具有雪崩放大效应、高增益、宽波长响应范围、低噪声、高速响应、低工作电压和较小尺寸等特点。
这些特点使得它在光通信、光谱分析、光电检测等领域具有广泛的应用前景。
未来随着技术的进一步发展，相信雪崩光电二极管将在更多领域展现出其独特的优势和潜力。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.
[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验一、实验目的1、学习掌握APD光电二极管的工作原理2、学习掌握APD光电二极管的基本特性3、掌握APD光电二极管特性测试方法4、了解APD光电二极管的基本应用二、实验内容1、A PD光电二极管暗电流测试实验2、A PD光电二极管光电流测试实验3、A PD光电二极管伏安特性测试实验4、A PD光电二极管雪崩电压测试实验5、A PD光电二极管光电特性测试实验6、A PD光电二极管时间响应特性测试实验7、A PD光电二极管光谱特性测试实验三、实验仪器1、光电探测综合实验仪2、光通路组件3、光照度计4、光敏电阻及封装组件1套5、2#迭插头对（红色，50cm）10根6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根7、三相电源线1根8、实验指导书1本9、示波器1台四、实验原理雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。
当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高（约3x105V / cm）时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。
碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样乂被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。
图6-1为APD的一种结构。
外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和\+区中间是宽度较窄的另一层P区。
APDJ：作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从\+-P结区一直扩展（或称拉通）到P+区，包括了中间的P层区和I区。
图4的结构为拉通型APD的结构。
从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在\+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在\+-P区。
基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究
基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。
基于InGaAs(P)/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。
然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs(P)/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。
单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。
研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。
本论文研制了基于InGaAs(P)/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。
主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。
设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。
对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。
利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。
改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验APD光电二极管特性测试实验1，实验目的1，学习掌握APD光电二极管的工作原理2，学习掌握APD光电二极管的基本特性3，掌握APD光电二极管特性测试方法4，了解APD光电二极管的基本应用2，实验内容有1，APD光电二极管暗电流测试实验2，APD光电二极管光电流测试实验3，APD光电二极管伏安特性测试实验4，APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特性测试实验6、APD光电二极管时间响应特性测试实验7、APD光电二极管光谱特性测试实验3、实验仪器1、光电检测综合实验仪器12、光路组件1组3、测光表1组4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台4示波器，雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。
当高反向偏置电压施加到PN结时，5耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。
当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。
它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。
这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。
由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。
这一物理过程被称为雪崩倍增效应。
++图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N+表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。
当反向偏置电压增加到++到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I+区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P++相对较强。
碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比N-P区低得多，但也足够高，达到4(最高2×10V/cm)，从而保证载流子达到饱和漂移速度。
apd的单光子计数模块
apd的单光子计数模块APD的单光子计数模块是一种用于检测和计数光子的高精度测量装置。
APD代表雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode），它是一种特殊的光电二极管，具有很高的增益和灵敏度，可用于单光子探测。
在本文中，我们将逐步介绍APD的单光子计数模块，探讨其工作原理、应用领域和优势等方面内容。
第一部分：APD的工作原理APD是一种结构与普通光电二极管类似的器件，但具有一个重要的区别：内置了增益机制。
这种增益机制被称为雪崩效应，是APD实现高增益和单光子探测能力的关键。
当光子进入APD时，它会被光电二极管中的半导体材料吸收，并产生电子-空穴对。
在正向偏置情况下，这些电子-空穴对将会被电场加速，并在碰撞过程中产生更多电子-空穴对。
这样的二次电子-空穴对产生过程会引起雪崩效应，使得电子-空穴对的数量指数级增加。
最终，这些电子将被收集到二极管的电极上，并产生一个检测信号。
APD的工作原理决定了它可以检测到单个光子的能力。
由于雪崩效应的存在，即使只有一个光子击中APD，也可以引发足够的增益和信号，以便进行计数和测量。
这使得APD成为一种非常重要的工具，用于研究量子光学、量子信息以及其他需要进行精确光子计数的领域。
第二部分：APD的应用领域APD的单光子计数模块在众多领域中得到了广泛应用。
以下是几个典型的应用领域：1. 量子光学和量子信息：在量子光学和量子信息科学中，研究人员通常需要测量和控制单个光子。
APD的单光子计数模块可以提供高精度的光子计数，从而帮助科学家们更好地理解光子的量子性质和应用。
2. 生物医学影像和分析：在生物医学领域中，APD被广泛应用于光学成像、荧光探测和单分子动力学研究等领域。
其高灵敏度和高计数速度使得APD在这些应用中成为理想的工具。
3. 激光雷达和光通信：APD广泛应用于激光雷达系统和光通信网络中。
它们可以用于检测和计数回波光子，从而实现高分辨率的目标检测和数据传输。
雪崩光电二极管(APD)-讨论课PPT
属-半导体-金属（MSM）行波光电探测器，以及分离吸收
梯度电荷和雪崩光电二极管（APD）等
Outline
• APD基本结构与原理 • 器件特性 • 典型的APD结构举例、应用
APD-基本结构与原理
illumination
· 利用雪崩倍增效应制成 · 雪崩光敏二极管通常采用具有保
护环的结构
· 保护环低掺杂，曲率半径足够大 · 保证雪崩击穿均匀地发生在中心 区的PN结内；较高击穿电压。
以从很窄的倍增区获得很高的增益，但这时APD的噪声很 大，所以APD的倍增区常采用n和 p 相差很大的材料，雪 崩过程应以电离率较高的载流子引发。 结构优化：雪崩区和吸收区分开，使低电离率的载流 子保持最小，因此尽量避免在高场雪崩区的光吸收。
APD--拉-通结构
p p n • 低-高-低APD：
因为在耗尽区内给定距离处产生的 每个电子 - 空穴对是相互独立的， 并不经历完全相同的倍增，因为雪 崩倍增的这种起伏，使噪声因子
F (M )
M2 M2
均方值 平均值的平方
依赖于倍增因子，如图：
APD-器件特性
• 降低噪声
从公式 M 0
1 可以看出， n和 p 相等的情形下，可 1 d
Semiconductors. Vol.29, No.9
P
P+
P
N/i
N+
APD器件特性
• 性能表征：量子效率、响应速度、增益、噪声等 • 增益 电子的直流倍增因Байду номын сангаас：
以上公式基于假设电离率与位置无关，当电子和空穴电离率相等时，倍 增因子变为：
击穿条件： 雪崩光敏二极管的反向偏压略低于击穿电压，其光电流增 益为10~100
基于APD线列的单光子探测计数研究
基于APD线列的单光子探测计数研究张常年;张栎存;康小麓【摘要】单光子探测系统可以对单个光子进行探测;探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分;探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成;在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止,淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流,快速降低雪崩电压,以达到提高探测效率,降低错误计数的目的;APD线列产生多个光子脉冲信号,计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压,保证每路APD淬灭电路的正常工作.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2016(024)009【总页数】4页(P184-187)【关键词】单光子探测;雪崩二极管;淬灭电路;计数电路【作者】张常年;张栎存;康小麓【作者单位】北方工业大学电子信息工程学院,北京 100144;北方工业大学电子信息工程学院,北京 100144;北方工业大学电子信息工程学院,北京 100144【正文语种】中文【中图分类】TP3随着量子信息技术的飞速发展，单光子探测器已经成为各国重点研究课题之一。
光子是最小的能力和信息载体。
在可见光段，一个光子的能量在10-19J量级，要探测如此微弱能量的光子是一个难题，而新式光电探测技术——单光子探测技术，可以利用新式光电效应对能量极小的光子进行探测和计数，因此在天文探测、大气测污、量子通讯等领域受到了深入的研究。
目前已经有多种器件可以用来制作单光子探测器，其中包括光电倍增管、电荷耦合器件、微通道板、混合式光电二极管和盖革模式雪崩光电二极管。
多个雪崩光电二极管(APD)组成的线列或阵列可作为的单光子探测器的主要器件，其主要应用于光子成像技术领域，在探测远程非合作目标时，探测器收到的回播信号极其微弱，甚至只有几个或者单个光子的能量，因此对于这种微弱光信号的探测与成像，就需要由多个APD组成的线列或阵列的单光子探测器对目标进行探测与成像。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管（APD）1. 简介雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，简称APD）是一种特殊类型的光电二极管，通过利用光电效应将光能转化为电能。
与常规光电二极管相比，APD具有更高的增益和更低的噪声特性，使其在光通信、光电探测、光谱分析等领域中被广泛应用。
本文将介绍雪崩光电二极管的工作原理、特性以及应用领域等内容。
2. 工作原理APD的工作原理基于光电效应和雪崩效应。
光电效应：当光照射到APD的光敏区域时，光子激发了其中的电子，使其获得足够的能量越过禁带，成为自由电子。
这些自由电子在电场的作用下会向电极方向移动，产生电流。
雪崩效应：在雪崩区域，APD的结构被特别设计，使电子在电场的加速下能获得更高的能量，足够激发带负电量的离子。
这些离子再次被电场加速，撞击晶体结构，从而释放出更多的电子，形成一次雪崩放大效应。
这样，通过雪崩效应，每个光子都可以导致多个电子的释放，从而使APD具有较高的增益。
3. 特性APD具有以下几个主要特性：3.1 增益APD具有极高的增益特性，通常在100倍到1000倍以上。
这使得APD能够检测非常弱的光信号，并提供更高的信号到噪声比。
高增益也意味着APD可以克服光电二极管的缺点，如光元件的电子热噪声和放大噪声。
3.2 噪声APD的噪声水平相对较低，主要由雪崩噪声和暗电流噪声构成。
雪崩噪声是由于雪崩效应引起的电荷起伏。
暗电流噪声是与温度相关的内部电流，可以通过降低工作温度来减少。
3.3 响应速度APD的响应速度较高，可以达到几百兆赫兹的范围。
这使得APD适合于高速通信和高频率测量应用。
3.4 饱和功率APD具有饱和功率的概念，也称为最大接收功率。
这是指当光强度超过一定阈值时，APD的增益将不再增加，并导致其输出信号畸变。
因此，在设计APD应用时，需要注意光功率的控制，以避免饱和和信号畸变。
4. 应用领域APD在以下领域中得到了广泛应用：4.1 光通信APD可以提供高增益和低噪声的特性，使其成为光通信系统中常用的接收器元件。
雪崩光电二极管APD倍增特性的测试
三、实验步骤
倍增系数测试 • 启动单色仪，并扫描到800nm位置； • 不打开高压开关，运行软件采集数据，得到APD的无增益
•
•
电流值； 将反馈电阻更换为300K，然后打开高压开关，在控制面板 上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数，从60V开始 调节，每次增加5V并采集数据，得到APD的增益电流值， 电压达到反向电压的90％（为上次实验测定的值）时停止， 此时软件自动完成数据处理，显示出APD的倍增系数及其 曲线； 可以更换不同的波长或改变光强（通过改变单色 仪出射狭缝的大小），重复做上述步骤，并把结果进行比 较。 实验结束后，先将高压输出调到最小，然后关闭高压开 关，，并闭溴钨灯电源，最后关闭仪器总电源。
三、实验步骤
暗电流测试 1. 在控制面板上，把APD模块所带数据线小的红色插头插控制 面板上APD特性测试框中地正，大的红色插头插在其中的负， 黑色插头插在其中的地。“高压输出”与APD特性测框中的 “负”相连，“高压输出”与电压表的“2000+”连通，电 压表的“-”与地相连，电压表量程切换到2000V。然后用连 接线将APD特性测试框中的正与12-3中的孔2相连，并在4和 5上插上30M的反馈电阻； 2. 接通仪器总电源，打开高压开关； 3. 在控制面板上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数， 从60V开始调节，每次增加5V并采集数据，电压达到90％反 向电压（为上次实验测定的值）时停止； 实验结束后，先 将高压输出调到最小，然后关闭高压开关，再关闭仪器总 电源。
雪崩光电二极管APD倍增特性 的测试
一、实验目的
1. 2. 3. 4. 5. 加深对雪崩光电二极管工作原理的理解 学会雪崩光电二极管的反向电压的测试方法 学会雪崩光电二极管的暗电流的测试方法 学会雪崩光电二极管的倍增特性的测试方法 掌握雪崩光电二极管的使用方法。
雪崩光电二极管apd的特性和单光子探测的分析
第三章雪崩光电二极管特性研究于。
‘６０Ｄ－，：ｅ０００００｛兰一图３．１６单光子计数器计数结果（ａ）单光子计数结果（ｂ）不同光强下的计数值和输入光功率的函数曲线Ｆｉｇ．３－１６Ｃｏｕｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｅｒ（ａ）Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ（ｂ）Ｃｏｕｎｔｖａｌｕｅｖｅｒｓｕｓｉｎｐｕｔｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｔｖａｒｉｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ光子探测效率可以表示为玎。
：Ⅳ＾×１００％－，＿．２Ｌｓｒ３—２６）％２巴／＾ｙ。
ｌ式中地为有光时由光子产生的计数率，它是光子计数器上的计数值和计数时间（２０ｓ）的比值。
Ｐ。
为输入光功率，是矿为单光子能量。
这样平均光子数为／．ｔ＝Ｏ．１和ｕ＝Ｏ，０３时的光子探测效率分别可计算为ｌ，２９％和２．０９％。
在实验中暗计数率为３．１３Ｘ１０～／ｎｓ。
在以上的单光子计数实验中，我们利用ＥｐｉｔａｘｙＡＰＤ进行光探测，由光子数的泊松分布可知，在平均光子数Ⅳ＝０．１时，单光子概率已经大于９０％；在平均光子数／．ｔ＝Ｏ．０３时，单光子概率大于９７％，实验数据显示了单光子计数测量。
在今后的工作中，通过选用噪声性能好的管子，并采取一定的滤噪措施，使ＡＰＤ工作在最佳温度和最佳电压条件下，高性能的单光子探测是可以实现的。
实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背景噪声要尽可能少。
提高响应灵敏度和降低噪声是两个可：相制约的因素。
在常规通信系统中，最佳信噪比是个好的选择。
响应灵敏度和暗电流都随工作电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压上升更快。
所以，最佳信噪比的工作电压不是响应灵敏度最高的电压。
对于单光予探测，响应灵敏度是主要追求目标，是在获得最大可能的探测灵敏度的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
雪崩光电二极管(APD)
结构——APD
3、SAGM型APD P-N结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生 载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能 ，它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对， 这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流 子的雪崩倍增，得到电流增益。在0.6～0.9μm波 段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（铟镓 砷）/InP（铟磷）APD是长波长（1.3μm，1.55μm ）波段光纤通信比较理想的光检测器。其优化结 构如图所示，光的吸收层用InGaAs材料，它对 1.3μm和1.55μm的光具有高的吸收系数，为了避 免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩 区与吸收区分开，即P-N结做在InP窗口层内。鉴 于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数， 雪崩区选用n型InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存 在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其 间夹入带隙渐变的InGaAsP（铟镓砷磷）过渡区 ，形成SAGM（分别吸收、分级和倍增）结构。
Байду номын сангаас
G R pinG
式中，为量子效率。等 式意义为单位入射光功 率所产生的短路光电流 ，表征光电二极管的转 换效率。
特性参数——APD
3、过剩噪声因子F 在APD中，每个光生载流子不 会经历相同的倍增过程，具有随机 性，这将导致倍增增益的波动，这 种波动是额外的倍增噪声的主要根 源，通常用过剩噪声因子F来表征 这种倍增噪声。 x
名词释义——APD
APD是激光通信中使用的光敏元件。在以硅或 锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压 后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反 向偏压会产生“雪崩”（即光电流成倍地激增）的 现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管” 。
由APD实验特性改进单光子探测技术的研究
由APD实验特性改进单光子探测技术的研究专业: 光学关键词: 量子密钥分配单光子探测器雪崩光电二极管温控分类号: TN364.2TN918形态: 共63 页约41,265 个字约 1.974 M内容阅读: 获取全文内容摘要单光子探测器是量子密钥分配系统中的关键器件,它决定了系统安全传输距离、密码产生码率等重要性能指标。
在量子密钥分配系统中,工作在400~1100nm波段,以硅雪崩光电二极管APD为基础的单光子探测技术已经比较成熟,而在石英光纤的低损耗窗口光通信波段,单光子探测仍有许多研究工作。
目前国内外量子保密通信研究的热点集中在开发通信波段高效的单光子探测器。
本文利用自制的无源抑制电路,研究盖革模式下APD贯穿和雪崩特性,并从粒子分布角度加以解释;对APD温度精密控制进行了研究,提出了一种新的温控方法……全文目录1.4.3单光子探测的基本原理1.4.4单光子探测器的主要指标二、APD单光子探测器2.3单光子探测用APD的选择2.4盖革模式下APD的控制方式2.4.1无源抑制2.4.2有源抑制2.4.3门模式三、盖革模式下APD贯穿特性和雪崩特性的研究3.2实验装置及实验结果3.3实验结果分析3.3.1贯穿特性分析3.3.2雪崩特性分析四、盖革模式下APD温度控制稳定性研究4.2单光子探测器中APD对温度的要求4.3单光子探测器制冷及温控的实现4.4实验结果相似论文1. 用于红外单光子探测的雪崩光电二极管特性研究,47页,TN364.2 O4382. 单光子探测技术及其在真随机源中的应用,45页,TN364.2 TN2013. 1550nm单光子探测及其应用研究,51页,TN364.2 TN929.14. 雪崩光电二极管APD的特性与单光子探测研究,66页,TN364.2 TN312.7TN929.15. 基于光电反馈的激光混沌并联同步系统研究,42页,TN918.6 TN929.116. 波长可调谐双光子源的实验制备,55页,TN9187. 基于相位调制的光量子偏振态的制备与检测及其在量子密钥分发中的应用,110页,TN9188. 光子轨道角动量在量子保密通信中的应用研究,40页,TN9189. 实用量子密钥分配系统与分配算法及技术实现,92页,TN918.110. 基于PSD的小型激光测头的设计和研究,58页,TN362 TN24811. 环形谐振腔半导体激光器,48页,TN36512. 飞秒激光辐照硅及硅光电探测器研究,54页,TN36 TN304.1213. 梯度折射率透镜在光纤耦合系统中的应用,57页,TN365 TN25314. 红色长余辉材料的制备和性能研究,56页,TN3615. 激光二极管阵列外腔锁相技术研究,61页,TN36516. 用激光散射方法研究人体外周血液循环,44页,TN36517. 混沌同步开关及其特性研究,35页,TN365 O415.518. 光纤光栅外腔半导体激光器激射波长不稳定性研究,38页,TN36519. PTCDA/p-Si光电探测器的参数优化和调整,58页,TN3620. 半环形腔主振光放大器技术研究,50页,TN365 TN242。
单光子探测器的研究和应用
单光子探测器的研究和应用单光子探测器是一种能够探测到单个光子的探测器，是量子光学实验和量子信息处理的关键设备。
它广泛应用于光子发射、量子计算、量子通信、量子密钥分发等领域。
在实际应用中，单光子探测器的性能直接影响到量子技术的可靠性和实用性。
一、单光子探测器介绍单光子探测器是一种能够探测到光子的探测器，可以实现单个光子的探测和测量。
它通过将光子与探测器的探测元件相互作用，将光子转换为电子信号，并通过探测器电路来测量电子信号。
当光子被探测器接收时，它会导致电光子的发射，从而使电路中的电压发生变化。
然后，通过分析电路中的电压变化来检测光子。
目前，常用的单光子探测器包括雪崩光电二极管(APD)、光子检测器(PD)等。
二、单光子探测器的应用单光子探测器广泛应用于实验室和实际应用中，包括量子通信、量子计算、量子密钥分发等领域，以下是其中一些应用的介绍：1. 量子计算量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，比传统计算方式更加高效和可靠。
在量子计算中，单光子探测器被广泛应用于量子纠缠、单量子态测量等领域，提高了量子计算的可靠性和实用性。
2. 量子通信量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，比传统通信方式更加安全和难以被攻击。
在量子通信中，通过单光子探测器来实现单量子态的探测和传输，从而保证了通信的安全性和可靠性。
3. 量子密钥分发量子密钥分发是一种使用量子力学原理的加密方式。
在量子密钥分发中，通过单光子探测器来实现单量子态的探测和传输，从而保证了密钥的安全性和可靠性。
三、单光子探测器的研究现状目前，单光子探测器的研究进展非常迅速。
随着量子计算和量子通信技术的不断发展，单光子探测器的性能需求也越来越高。
一方面，目前的单光子探测器在光子检测效率和暗计数率等方面仍存在一些限制，限制了其在实际应用领域中的应用。
另一方面，随着新材料和新技术的出现，单光子探测器得到了新的研究进展。
例如，超导探测器、有机材料探测器等新型单光子探测器的研究正日趋活跃。
单光子apd阵列探测器读出电路的关键技术研究
ABSTRACTRecently, the requirements of ranging resolution, circuit area and power consumption have been gradually improved in close range laser 3D imaging system. Avalanche photodiode (also called single-photon APD) operating in geiger-mode, has a quick response to a single photon, and its readout circuit features on low noise, so it has a great advantage in high precision large-scale array detection.Based on single-photon APD array detector, two front end unit readout circuits applying to laser ranging in 3D imaging have been designed in this paper. According to the ranging principle of time-of-flight (TOF), the unit circuit consists of active quenching circuit (AQC), time-to-digital converter (TDC) and corresponding timing control circuit. In both two designs, AQC can quench APD in an active way within 1 ns, and it realizes an adjustable hold-off time of 3.5-5 ns after quenching. Besides, it can reset APD automatically. In the first design, TDC adopts a two-segment coarse-fine architecture to manage a trade-off between clock frequency and temporal resolution using interpolation technique. The clock frequency has been reduced to 1 GHz, which is one fifth of the conventional design frequency. The temporal resolution is 75 ps, and its corresponding ranging resolution is 1.125 cm, achieving a high precision. The circuit area is 95×95 μm2, and the power consumption is 1.08 mW. In the second design, the circuit structure has been enhanced and optimized on the basis of the original design. The clock frequency is 500 MHz, and the temporal resolution is 200 ps, indicating a ranging resolution of 3 cm. The circuit area is less than 50×95 μm2, and the power consumption is 0.89 mW, having the advantages of small area and low consumption.The projects have been designed with SMIC 0.18 μm 1.8 V CMOS process. Layout post-simulation results show that two schemes can meet their design requirements well. However, there are different degrees of time jitters in both two TDCs. The last part of the paper discusses the causes and provides the corresponding solution.KEY WORDS：Single-photon APD array detector, Laser 3D imaging, Readout circuit, TDC circuit目录摘要 ...............................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................................... II 章第1绪论 (1)1.1论文的研究背景 (1)1.2单光子APD探测器及读出电路概述 (2)1.2.1单光子APD探测器概述 (2)1.2.2单光子APD阵列探测器读出电路概述 (6)1.2.3单光子APD阵列探测器激光3D成像国内外发展概述 (7)1.3论文的选题意义和内容 (13)1.3.1论文的选题意义 (13)1.3.2论文的内容结构 (14)章第2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (15)2.1单光子APD阵列探测器激光测距系统指标分析 (15)2.2单光子APD阵列探测器单元读出电路架构 (16)2.2.1AQC电路的基本结构及选取 (17)2.2.2TDC电路的基本结构及选取 (18)2.3单光子APD阵列探测器读出电路时序 (21)2.4本章小结 (22)章第3高精度单元读出电路的设计与仿真 (23)3.1 AQC电路的设计与仿真 (23)3.1.1AQC电路的设计 (23)3.1.2AQC电路的仿真 (24)3.2粗TDC电路的设计与仿真 (25)TDC电路的整体设计 (25)3.2.13.2.2LFSR电路的设计 (27)3.2.3LFSR电路的仿真 (29)3.3细TDC电路的设计与仿真 (30)3.3.1延时线型TDC电路的设计 (30)3.3.2TDC电路的仿真 (32)3.4本章小结 (36)第4小型化单元读出电路的优化与仿真 (37)章4.1单元读出电路架构的优化 (37)4.2粗TDC的优化与仿真 (38)粗TDC结构的优化 (38)4.2.14.2.2优化后的粗TDC仿真结果 (41)4.3细TDC的优化与仿真 (42)延时链的设计与优化 (42)4.3.14.3.2D触发器和多路选择器的设计与优化 (43)4.3.3优化后的TDC仿真结果 (44)4.4本章小结 (47)章第5版图设计与后仿真分析 (49)5.1版图设计 (49)5.1.1版图设计注意事项 (49)5.1.2单元读出电路的版图设计 (50)5.2版图的后仿真 (52)5.2.1高精度单元读出电路的后仿真 (52)5.2.2小型化单元读出电路的后仿真 (55)5.3单元读出电路的改进方案 (60)5.4本章小结 (65)章第6总结与展望 (67)6.1总结 (67)6.2展望 (68)参考文献 (69)发表论文和参加科研情况说明 (73)致谢 (75)绪论第1章1.1论文的研究背景一直以来，激光测距技术是发展激光雷达、激光追踪、扫描成像、测速、多普勒成像等技术的重要基础，在军事和民用领域都有着举足轻重的地位。
单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度特性研究
华南理工大学硕士学位论文单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度姓名：黄静申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：冯金垣20040214第一章绪论第一章绪论１．１研糯网络技术，尤其是电子商务迅速发展带来的忧虑是信息安全问题，由于黑客的攻击，造成信息丢失或信用卡密码被盗等而造成巨大的经济损失的例子已屡见不鲜，而信息安全作为国家安全的重要要素而受到各国的高度重视。
目前很多加密技术都是从复杂的数学入手，数学的加密方法极可能被数学方法攻破，而且随着计算技术的快速发展，破译的能力也就日益提高，破译能力提高的速度甚至比计算速度的提高还快。
目前广泛用于保护数据的公约密码（Ｐｕｂ］ｉｃＫｅｙＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ）方法，公开密钥（ＰｕｂｌｉｃＫｅｙ）用于加密，秘密密钥（ＰｒｉｖａｔｅＫｅｙ）用于解密，信息安全取决于所谓单向数学函数的存在。
但这种安全性并不能从数学上得到证明。
事实上，美国政府认可的ＤＥＳ密码（Ｃｉｍｍｅｒｃｉａｌｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ）用了不长时间就被破译了。
取代ＤＥＳ的ＡＥＳ已经推出，但它面临同样的安全方面的问题。
今天，由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，于是一门将量子力学应用于信息科学的新兴学科一量子信息学便应运而生。
该学科是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。
而量子保密通信则是量子信息学的重要分支之一ｍ。
量子保密通信涉及了一个古老的关于传送密钥的问题，即如何在异地产生同步随机序列的问题。
身处异地的双方首先需要有密钥，才能对数据加密和解密。
而问题是如何传送密钥才能使密钥不致落入窃听者手中。
在目前的量子保密通信中，量子码是由单光子的偏振或相位调制改变的量子态来表示的０或１的随机序列。
此密钥是这样形成的：Ａｌｉｃｅ发送方随机地用偏振或相位调制改变光子的状态，而收信方Ｂｏｂ也随机地选择光子的偏振方向或相位来测量光子。
单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏压源设计
单光子探测器APD的特性分析以及所需要的直流偏
压源设计
1 引言
单光子探测是一种检测极微弱光的方法，在近红外波段，雪崩光电二极管(APD)是探测极微弱光的主要器件之一。
APD是一种能实现光电转换且具有内部增益的高灵敏度光电探测器，其工作电压不高，噪声相对较小，非常适合极微弱光信号(如单个光子信号)的探测。
由于单光子探测是在高技术领域的重要地位，他已经成为各发达国家光电子学重点研究的课题之一。
在量子密钥分发、天文测光、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线形光学、光时域反射等现代科学技术领域中，都涉及到极微弱光信号的检测问题。
在量子密钥分发系统中，量子信息的载体是单光子，如何将携带信息的单光子探测出来是实现量子密钥分发的关键。
APD是实现单光子探测的核心器件。
在单光子探测器设计中，为了开发APD的极限灵敏度，APD必须置于反向偏压(Vb)稍高于雪崩击穿电压(Vbr)之上，即所谓的盖格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能达到较高的探测效率。
然而在盖格模式时，APD的雪崩增益M不仅与环境温度T还与其直流偏压Vb的大小密切相关。
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方式对单光子探测中常用的探测器件一一雪崩光电二极管（ Ａ Ｐ Ｄ ） 进行了电流及倍
增特性研究，提出了一种利用无源抑制方法确定 Ａ Ｐ Ｄ 的暗电流雪崩电压的新方
法，并测定了各种 Ａ Ｐ Ｄ 的雪崩电压参数。同时，把 Ｅ Ｇ ＆ Ｇ 公司的 Ｃ ３ ０ ６ ４ ４ Ｅ ，
Ｃ ３ ０ ６ ４ ５ Ｅ Ａ Ｐ Ｄ和 Ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ 公司的Ｅ Ｔ Ｘ ４ ０ Ａ Ｐ Ｄ Ｂ Ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ Ｅ Ｔ Ｘ ０ ０ ４ ０ ８ ０ ５ ２ － ０ ０ ５ 进行了 比较， 通过对其特性参数的分析，确定 Ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ 公司的Ａ Ｐ Ｄ具有良 好的暗电流特 性和探测灵敏度， 适用于单光子探测。 根据特性分析结果， 我们选择 Ｅ Ｔ Ｘ ４ ０ Ａ Ｐ Ｄ Ｂ Ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ Ｅ Ｔ Ｘ ０ ０ ４ ０ ８ ０ ５ ２ － ０ ０ ５ 进行了单光子计数实验， 实验数据显示了单光子计数
计数的商用 Ｉ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｉ ｎ Ｐ 雪崩光电二极管在多个领域， 尤其是在量子通信领域的应 用，受到了特 别的关注。日前探测单光子的理想器件为工作在盖革模式的雪崩光
电二极管（ Ａ Ｐ Ｄ ： ａ ｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ） 。 在盖革模式中， Ａ Ｐ Ｄ被脉冲偏置在高于雪
ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ Ａ Ｐ Ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ， ｐ ｕ ｔ ｓ ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄ ａ ｎ ｅ ｗ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｅ ｓ ｉ ｔ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ
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崩电压的工作点，一旦有光子或热生成的载流子到达触发雪崩，就在电路中产生 电流。电流脉冲的上升时间标志着光子的到达时间。为了保证器件的安全＿ 〔 作，
要求 Ａ Ｐ Ｄ能自 动终止雪崩， 因此， 要使用适当的外电路， 无源或有源抑制电路来 熄灭雪崩和恢复 Ａ Ｐ Ｄ的偏置电压。 本文对红外单光子探测技术进行了研究。首先介绍了光通信中常用的各种光 电探测器的工作原理及结构特点，分析 了它们各 自的优缺点。其次，用无源抑制
摘 要
摘 要
量子通信是当今世界非常热 门的一门前沿信息科学技术 ，它是密码学和量子
力学相结合的产物 ，它的安全性由量子力学基本原理一一测不准原理和单量子态 不可克隆定理所保证，因而越来越受到人们的重视。量子通的基本要素主要包 括单光子源、量子编码与量子信息的传输、单光子探测技术。１ ５ ５ ０ ｎ ｍ 是光通信 和量子通信的第三通信窗口，所以工作在 １ ５ ５ ０ ｎ ｍ 波长和较高温度下，用于光子
ａ ｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｗ ｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｗ ｉ ｌ ｌ ｌ ｆ ｏ ｗ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ
关键词：量子通信；单光子探测；雪崩光电二极管 ；半导体制冷；无源抑制；有
源 抑制
华南理工大学硕十学位论文
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测量。随后， 我们介绍了 Ａ Ｐ Ｄ单光子探测器及其工作方式，在此基础 卜 设计出一 种带门模式控制的无源一 有源抑制集成 电路，并提出了一种 门控设计方案。最后，
我们对原来开发的水冷制冷腔进行了改进，设计出两套风冷制冷腔，为提高探测 器系统的实用性和集成度作了充分的准备。 对市售的雪崩光电二极管进行特性分析，为驱动电路设计提供了基础数据， 有利于更好的确定单光子探测方案。同时，新开发的单光子探测外围集成电路及 风冷制冷腔为提高探测器的安全性和灵敏度，实现器件的小型化创造了条件。
ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ （ Ａ Ｐ Ｄ ） ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ Ｇ ｅ ｉ ｇ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｅ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ Ａ Ｐ Ｄ ｉ ｓ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ － ｂ ｉ ａ ｓ ｔ ｏ ａ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｊ ｕ ｓ ｔ ｂ ｅ ｌ ｏ ｗ ｔ ｈ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｉ ｓ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｄ Ｃ ｂ ｉ ａ ｓ ｔ ｏ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ． Ｏ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ａ ｒ ｒ ｉ ｖ ｅ ｓ
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