华南理工-雪崩光电二极管APD的特性与单光子探测研究

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ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（ＡＰＤ）ｗｏｒｋｉｎｇｉｎＧｅｉｇｅｒｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈＡＰＤｉｓｒｅｖｅｒｓｅ－ｂｉａｓｔｏａｖｏｌｔａｇｅｊｕｓｔｂｅｌｏｗｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅａｎｄａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｐｕｌｓｅｉｓｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄｏｎｔｈｅＤＣｂｉａｓｔｏｃａｕｓｅｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｂｏｖｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ．Ｏｎｃｅｔｈｅｐｈｏｔｏｎｏｒｔｈｅｒｍａｌｃａｒｒｉｅｒａｒｒｉｖｅｓ
ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｗｏｒｋｉｎｇｉｎ１５５０ｎｍａｎｄｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｕｓｅｄｆｏｒｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｉｓｇｉｖｅｎｓｐｅｃｉａｌａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｑｕａｍｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｉｄｅａｌｄｅｔｅｃｔｏｒｆｏｒｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓａｖａｌａｎｃｈｅ
计数的商用ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ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（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）。在盖革模式中，ＡＰＤ被脉冲偏置在高于雪
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
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓａｖｅｒｙｐｏｐｕｌａｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｎｏｗａｄａｙｓ．Ｉｔｉｓｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄｑｕａｎｔｕｍｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｉｔｓｓｅｃｕｒｉｔｙｉｓｇｕａｒａｎｔｅｅｄｂｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｑｕａｍｔｕｍｍｅｃｈａｎｉｃｓｓｏｔｈｅｒｅｈａｓｂｅｅｎａｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ
ｉｎｔｅｒｅｓｔａｎｄｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｆｆｏｒｔｉｎｉｔ．Ｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｅｐｅｎｄｓｍａｉｎｌｙｏｎｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎｓｏｕｒｃｅ，ｑｕａｎｔｕｍｃｏｄｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｑｕａｎｔｕｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ
ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＰＤｗｉｔｈｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｔｏｇｅｔｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅａｎｄｕｓｅｓｉｔｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｅｖｅｒａｌＡＰＤｓ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔｃｏｍｐａｒｅｓＣ３０６４４Ｅ，Ｃ３０６４５Ｅ
ＡＰＤｏｆＥＧ＆ＧａｎｄＥＴＸ４０ＡＰＤＢＡｓｅｒｉｅｓＥＴＸ００４０８０５２－００５ｏｆＥｐｉｔａｘｙ，ｃｏｎｃｌｕｄｅｓｔｈａｔＥｐｉｔａｘｙＡＰＤｉｓｍｏｓｔｆｉｔｔｏｄｅｔｅｃｔｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｅｃｈｏｏｓｅＥｐｉｔａｘｙＡＰＤｔｏｄｏｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒａｎｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐａｓｓｉｖｅ－ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈｇａｔｅｃｏｎｔｒｏｌ．Ａｔｌａｓｔ，ｗｅｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｅｄａｉｒｐｒｏｏｆ
百度文库
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（ＡＰＤ）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ＡＰＤ的暗电流雪崩电压的新方
法，并测定了各种ＡＰＤ的雪崩电压参数。同时，把ＥＧ＆Ｇ公司的Ｃ３０６４４Ｅ，
Ｃ３０６４５ＥＡＰＤ和Ｅｐｉｔａｘｙ公司的ＥＴＸ４０ＡＰＤＢＡｓｅｒｉｅｓＥＴＸ００４０８０５２－００５进行了比较，通过对其特性参数的分析，确定Ｅｐｉｔａｘｙ公司的ＡＰＤ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ＥＴＸ４０ＡＰＤＢＡｓｅｒｉｅｓＥＴＸ００４０８０５２－００５进行了单光子计数实验，实验数据显示了单光子计数
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。量子通信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。１５５０ｎｍ是光通信和量子通信的第三通信窗口，所以工作在１５５０ｎｍ波长和较高温度下，用于光子
ｒｉｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｕｌｓｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅａｒｒｉｖａｌｏｆｔｈｅｐｈｏｔｏｎ．Ｔｈｅａｖａｌａｎｃｈｅ
ｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｈｏｕｌｄｂｅｓｅｌｆ－ｑｕｅｎｃｈｅｄｔｏｐｒｏｔｅｃｔｔｈｅＡＰＤ，ｓｏａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｕｃｈａｓｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈａｎｄａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｃｉｒｃｕｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏｑｕｅｎｃｈａｖａｌａｎｃｈｅａｎｄｒｅｓｅｔｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｏｆＡＰＤ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ，ｉｔ
测量。随后，我们介绍了ＡＰＤ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。
ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１５５０ｎｍｉｓｔｈｅｔｈｉｒｄｃｏｍｍｕｎｉｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰａｖａｌａｎｃｈｅ
ａｖａｌａｎｃｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｗｉｌｌｂｅｔｒｉｇｇｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗｉｌｌｌｆｏｗｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ
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ＡＰＤ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ＡＰＤ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
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖａｒｉｅｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｏｒｓｕｓｅｄｉｎｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｒｍｅｒｉｔｓａｎｄｄｅｆｅｃｔｓ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔａｎｄ