單光子探測(cè)器及其發(fā)展

1、單光子探測(cè)器及其發(fā)展摘 要：本文介紹了光電倍增管單光子探測(cè)器、雪崩光電二極管單光子探測(cè)器和真空單光子探測(cè)器以及它們的基本工作原理和特性，分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)；光電倍增管（PMT）；雪崩光電二極管（APD）；真空雪崩光電二極管（VAPD）中圖分類號(hào)：TP21.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 一、引言     單光子探測(cè)技術(shù)在高分辨率的光譜測(cè)量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測(cè)、精密分析、大氣測(cè)污、生物發(fā)光、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有 著廣泛的應(yīng)用。由于單光子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，它已經(jīng)成為各發(fā)

2、達(dá)國家光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。 二、單光子探測(cè)器的原理及種類單光子探測(cè)是一種極微弱光探測(cè)法，它所探測(cè)的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測(cè)器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測(cè)方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號(hào)提取出來。單光子計(jì)數(shù)方法利用弱光照射下光子探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其弱的信號(hào)識(shí)別并提取出來。這種技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1：（1）測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較??；（2）消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測(cè)量結(jié)果的信噪比；（3）有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)；（4）可輸出數(shù)字信號(hào)，適

3、合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。入射的光子信號(hào)打到光電倍增器件上產(chǎn)生光電子，然后經(jīng)過倍增系統(tǒng)倍增產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，稱為單光子脈沖。計(jì)數(shù)電路對(duì)這些脈沖的計(jì)數(shù)率隨脈沖幅度大小的分布如圖1所示。脈沖幅度較小的脈沖是探測(cè)器噪聲，其中主要是熱噪聲；脈沖幅度較大的是單光電子峰。Vh為鑒別電平，用它來把高于Vh的脈沖鑒別輸出，以實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。     可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多種，如光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）、增強(qiáng)型光電極管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光電二極管（VAPD）等。 1、光電倍增管（PMT）單光子探測(cè)器&#

4、160;   光電倍增管是利用光的外光電效應(yīng)的一種光電器件，主要由光電陰極和打拿極構(gòu)成。其工作原理如下：首先光電陰極吸收光子并產(chǎn)生外光電效應(yīng)，發(fā)射光電子，光電子在外電場(chǎng)的作用下被加速后打到打拿極并產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子又在電場(chǎng)的作用下被加速打到下一級(jí)打拿極產(chǎn)生更多的二次電子，隨著打拿極的增加，二次電子的數(shù)目也得到倍增，最后由光電陽極接收并產(chǎn)生電流或者電壓輸出信號(hào)。    當(dāng)可見光的輻射光功率低于1.0×10-121.0×10-14時(shí)，光電倍增管的光電陰極上產(chǎn)生的光電流不再是連續(xù)的，這樣，在光電倍增管的輸出端就有離散的數(shù)字

5、脈沖信號(hào)輸出。當(dāng)有一個(gè)光子信號(hào)打到光電陰極上，就會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的光電子。這些光電子在電場(chǎng)的作用下，經(jīng)過打拿極倍增，在輸出端就有相應(yīng)的電脈沖輸出。輸出端電脈沖的數(shù)目與光子數(shù)成正比，對(duì)這些電脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)也就能夠相應(yīng)地確定光子的數(shù)目。   光電倍增管單光子探測(cè)器主要采用的是一種逐個(gè)記錄單光電子產(chǎn)生的脈沖數(shù)目的探測(cè)技術(shù)。這種探測(cè)器主要由光電倍增管、制冷系統(tǒng)、寬帶放大器、比較器、計(jì)數(shù)器組成。光電倍增管是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，單光子信號(hào)經(jīng)過光電倍增管，把光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在這過程中，要避免噪聲把有用信號(hào)湮沒。光電倍增管性能的好壞直接決定了單光子探測(cè)器性能的好壞，因此選擇合適的光電倍增管是

6、非常關(guān)鍵的。單光子探測(cè)需要的光電倍增管要求增益高、暗電流小、噪聲低、時(shí)間分辨率高、量子效率高、較小的上升和下降時(shí)間。    影響光電倍增管單光子探測(cè)的一個(gè)重要因素就是光電倍增管的暗電流，盡管暗電流的成因很復(fù)雜，但一般認(rèn)為光電倍增管的暗電流主要來源于光電倍增管陰極和第一發(fā)射極的熱電子發(fā)射，即熱噪聲，因此降低熱噪聲是提高光電倍增管光子計(jì)數(shù)率的關(guān)鍵。對(duì)于金屬來說熱發(fā)射電流密度j為2：j= (1)式中，W金屬熱發(fā)射的逸出功；T溫度；e電子的電荷；m電子的質(zhì)量；k玻爾茲曼常數(shù)；h普朗克常數(shù)。本征半導(dǎo)體的熱發(fā)射電流密度為：j= (2)式中，A電子親和能；EG禁帶寬度。在摻雜半

7、導(dǎo)體中，熱發(fā)射來源于雜質(zhì)能級(jí)，熱發(fā)射電流密度公式為： (3)式中，EF從價(jià)帶頂算起的費(fèi)米能級(jí)；n0雜質(zhì)濃度。由式(1)(3)可以看出，要降低熱發(fā)射噪聲，必須降低環(huán)境溫度。同時(shí)，對(duì)于摻雜半導(dǎo)體來說，熱發(fā)射噪聲還與半導(dǎo)體的摻雜濃度有關(guān)，通常由于摻雜濃度不同，同一種型號(hào)的光電倍增管的熱發(fā)射電流也是不同的。因此在選擇光電倍增管時(shí)要先對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，選擇適合自己要求的管子。由于光電倍增管不僅在單光子探測(cè)領(lǐng)域，而且在其它的光電檢測(cè)領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用，因此有不少的國家和企業(yè)投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。PMT具有高的增益（104107）、大光敏面積、低噪聲等效功率（NEP）等優(yōu)點(diǎn)；但是它體積龐大、量子效率

8、低下、反向偏壓高、僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)，抗外部磁場(chǎng)能力較差。 2、雪崩光電二極管（APD）單光子探測(cè)器    雪崩光電二極管不同于光電倍增管，它是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個(gè)光子可以產(chǎn)生10100對(duì)光生電子空穴對(duì)，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。雪崩光電二極度管工作在反向偏壓下，反向偏壓越高，耗盡層當(dāng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度也就越大。當(dāng)耗盡層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)（材料不同，電場(chǎng)大小也不一樣，如：Si-APD為105V/cm），耗盡層中的光生電子空穴對(duì)就會(huì)被電場(chǎng)加速，而獲得巨大的動(dòng)能，它們與晶格發(fā)生碰撞，

9、就會(huì)產(chǎn)生新的二次電離的光生電子空穴對(duì)，新的電子空穴對(duì)又會(huì)在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的動(dòng)能，再一次與晶格碰撞又產(chǎn)生更多的光生電子空穴對(duì)，如此下去，形成了所謂的“雪崩”倍增，使信號(hào)電流放大。    外加電壓的變化會(huì)使倍增因子發(fā)生較大的變化，倍增因子M的經(jīng)驗(yàn)公式為：M=1/1-（V/VB）n （4）   式中，VBAPD的雪崩電壓。式中的n因子與PN結(jié)低摻雜邊是N型還是P型有關(guān)，且與入射波長(zhǎng)有關(guān)。理論上，當(dāng)APD的工作電壓趨近于雪崩電壓時(shí)，M將趨于無窮大。但實(shí)際上，當(dāng)工作電壓小于雪崩值時(shí)，M到1000左右就會(huì)飽和，這樣的倍增還不足以探測(cè)到單光子信號(hào)。在單

10、光子探測(cè)中，APD一般是工作在所謂的“蓋革模式”下，在這種模式下，雪崩光電二極管兩端的偏壓大于雪崩電壓。當(dāng)有光子信號(hào)到達(dá)APD時(shí)，被APD吸收，并使APD迅速雪崩。為了能夠?qū)ο乱粋€(gè)光子信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，需要采取一定的抑制電路，使雪崩發(fā)生后迅速地被切斷，并使APD恢復(fù)到接收光子的狀態(tài)。通常采取的方式有：無源抑制和有源抑制。一種簡(jiǎn)單的無源抑制工作方式的工作原理圖如圖23：在無源抑制電路中，APD和一個(gè)大電阻RL以及一個(gè)小電阻RS串聯(lián)，其等效電路圖如圖2(b)。其中虛線框中的部分為APD的等效電路，Rd為APD的電阻(一般為幾百歐姆到幾千歐姆不等)，VA為APD的雪崩電壓，Cd為APD的結(jié)電容，CS為分

11、布電容。當(dāng)沒有光子到達(dá)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)K斷開，APD處于等待狀態(tài)，Cd和Cs被充電；當(dāng)有光子到達(dá)時(shí)，APD發(fā)生雪崩，相當(dāng)于圖2(b)圖中的K閉合，此時(shí)APD處于接收光子狀態(tài)，Cd和Cs通過Rd和Rs放電。當(dāng)Cs和Cd兩端電壓等于雪崩抑制電壓Vq時(shí)，雪崩停止，一般認(rèn)為Vq近似等于VA。此時(shí)VB通過RL給Cd和Cs充電，恢復(fù)到接收光子狀態(tài)。無源抑制電路雖然簡(jiǎn)單，但是卻限制了光子的計(jì)數(shù)率。由上面的分析可知，雪崩光電二極管有一個(gè)“猝滅時(shí)間”和恢復(fù)時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間主要是由RL、Rd、Cs、Cd決定。由于RL必須很大才能夠使APD猝滅，這樣就使恢復(fù)時(shí)間增大。這個(gè)時(shí)間一般為幾百納秒，時(shí)間分辨率至多為400ps

12、。有源抑制可以大大地提高APD的計(jì)數(shù)性能。在過去幾年的發(fā)展中，已經(jīng)有部分產(chǎn)品商品化。有源抑制的響應(yīng)時(shí)間主要是受晶體管開關(guān)的限制，而不是受R和C的限制，從而大大地降低了猝滅時(shí)間，提高了時(shí)間分辨率。這種死時(shí)間已降低到了50ns，時(shí)間分辨率高達(dá)20ns。目前應(yīng)用的APD主要有三種，即Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它們分別對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)。Si-APD主要工作在400nm1100nm，Ge-APD在800nm1550nm，InGaAs-APD則在900nm1700nm。對(duì)于光譜響應(yīng)重疊的部分，InGaAs-APD具有更低的噪聲和更高的頻率響應(yīng)特性，因而價(jià)格也是最高的。Ge-APD則處

13、于兩者之間。用Si-APD制作的單光子探測(cè)器已經(jīng)逐漸趨于成熟，國外一些半導(dǎo)體公司（如美國的EG&G公司）已經(jīng)有產(chǎn)品在出售。在國外，光通信三個(gè)波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測(cè)器用于量子密鑰系統(tǒng)已經(jīng)有了相關(guān)的報(bào)道。在國內(nèi)，中科院物理所與中國科大（北京）研究生院合作，成功地制作了850nm波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器，并在850nm的單模光纖中完成了1.km的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)。但在1310nm和1550nm波段的紅外單光子探測(cè)國內(nèi)還未見報(bào)道?？偟膩碚f，比起國外目前的水平，我國在單光子探測(cè)領(lǐng)域還有較大差距。APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、

14、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。3、真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測(cè)器5針對(duì)PMT和APD的缺點(diǎn)，研究者開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測(cè)器，它是由光陰極和一個(gè)具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號(hào)打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場(chǎng)的作用下加速，然后再打到APD上。對(duì)于硅APD，這些光電子的能量約為硅帶隙能量的2000倍，這樣一個(gè)光電子就能產(chǎn)生大于2000對(duì)的電子空穴對(duì)。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍（2000&

15、#215;500）。VAPD單光子探測(cè)器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許多PMT和APD無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高、抗磁干擾能力強(qiáng)、探測(cè)光譜范圍寬等特點(diǎn)。這種單光子探測(cè)器的出現(xiàn)，對(duì)人們探索高技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑵鸬椒e極的推動(dòng)作用。三、單光子探測(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展    對(duì)于可見光探測(cè)，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有了不少類似的產(chǎn)品。然而隨著人們對(duì)紅外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對(duì)紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm

16、）單光子探測(cè)器的研究也就顯得尤為迫切。然而，在這個(gè)波段光電倍增管卻顯得無能為力，即使是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了它在紅外通信波段的應(yīng)用。即便在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管?，F(xiàn)在對(duì)Si的研究已經(jīng)趨于成熟，SiAPD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對(duì)850nm單光子探測(cè)的商用Si-APD。而在1310nm和1550nm波段， Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測(cè)了，因此在這兩個(gè)波段一般選用InGaAs-APD，但由于制造工藝的問題，

17、目前還沒有專門針對(duì)單光子探測(cè)的InGaAs-APD。國外對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)的報(bào)道，一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對(duì)光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動(dòng)電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測(cè)的目的。目前，國內(nèi)也已經(jīng)有了不少科研院所正在對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)器進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的實(shí)用化而做準(zhǔn)備。四、小結(jié)     單光子探測(cè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大的成就，但這還是不能夠滿足人們對(duì)高科技領(lǐng)域探索的需求。人們對(duì)單光子探測(cè)器將主要從兩個(gè)方面去研究，一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器，另一方面，研究和改進(jìn)探測(cè)器的外圍控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測(cè)器進(jìn)行

18、單光子探測(cè)。 參考文獻(xiàn)：陳成杰，徐正卜.光電倍增管M.北京：原子能出版社.19873 C5 王秀山，宋登元.光傳感器的研究進(jìn)展及應(yīng)用J.傳感器世界宋登元，王小平. APD、PMT及其混合型高靈敏度光電探測(cè)器J.半導(dǎo)體技術(shù). 2000.25（3）.5.7 梁創(chuàng)，廖靜等. 硅雪崩光電二極管單光子探測(cè)器J. 光子學(xué)報(bào).2000.29（12）.1142Single Photon Detector And Their DevelopmentAbstract: In this paper, the photo-multiplier tube single photon detector, avalanche photon diode, vacuum avalanche