６
光电子技术与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２００３
Ｄｅｃ；１６（６）
ＡＰＤ单光子探测技术
张鹏飞－，周金运１，廖常俊：，刘颂豪。
（１广东工业大学应用物理系．广东
广州
５１００９０
２华南师范大学量电所，广东广州５１０６３１）
摘要：单光于探测器是量子保密通信的主要器件。同时也是量了：通信中重要的研究课题。本文分别介绍
了量一ｆ保密通信用ＡＰＤ单光子探测技术及其工作在无源抑制、有潺抑制和门模式下的基本工作特性，分析了他们各自的优缺点及其未来的发展方向．
关键词：单光子探测；无源抑制；有源抑制；门模方式中图分娄号：ＴＮ９１８
文献标识码：Ａ
文献编号：１００６—１２３１（２００ａ）００—０００６－（１６
ＡＰＤＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＺＨＡＮＧＰｅｎｇ—ｆｅｉｌ，ＺＨＯＵ。］ｉｎ—ｙｕｎｌ，ＩＡＡＯＣｈａｎｇ－ｊｕｎ２，ＬＩＵＳｏｎｇ－ｈａ０２
（１
ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＧｕａａｌｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
５１００９０，Ｃｈｉｎａ；
２ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈ
ＱｕａａｌｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｍｌｇｚｈｏｕ５１０６３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
ｉｔ
ｉｓ
Ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓ州ｂｕｔｉｏｎ（ＱＫＤ），ａｎｄ
ａｌｓｏｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｎｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅＡＰＤｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎ
ｔｈｅｉｒｂａｓｉｃｗｏｒｋｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｏｒｋｉｎｇｉｎｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆ
ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ（ＳＰＡＤ）ａｎｄ
ａｎｄｇａｔｅｄｍｏｄｅ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ
ＳＰＡＤ∽ｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｇａｔ，ｅｄｎｌｏ（１ｅ
引言
迅速的发展Ｉ”】。１９９２年，Ｂｅｎｎｅｔｔ义提出一种更
简单但效率减半的方案，即Ｂ９２协议㈦．基于另
量下通信技术是利用光在微观世界中的量子特性，让一个个光子的量子态传输经典的“０”和“１”的数字信息。从理论上说，它可以传输无限量的信息。量予通信技术的另一个特点是能够用于开发无法破译的密码。量子密码术是密码术与量子
一种量子现象即Ｅｉｎｓｔｅｉｎ—Ｐｏｄｏｌｓｋｙ—Ｂｏｓｅｎ（ＥＰＲ）佯谬，Ｅｋｅｒｔ于１９９１年提出了用双量子纠缠态实现
量子密码术，即ＥＰＲ协议㈣。量子密码术是根
据黉子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被立即发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。而量子密钥系统中一项关键的技术就是在光纤通信的三个低损耗窗口（即：８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ和
１５５０
力学结台的产物一采用量子态作为信息载体，
经由虽子信道传送，在合法用户之间建立共享的密钥。１９７０年美国科学家Ｗｉｅｓｎｅｒ首先提出把量子物理用于密码术。１９８４年，Ｂｅｎｎｅｔｔ和Ｂｒａｓｓａｒｄ提出了第一个量子密码术方案，称为ＢＢ８４协议，并很快在实验ｔ实现了，量子保密通信从此得到了
１１１１１）中实现单光于探测。在通信的这三个窗
口，单光予的能量都在１０＿１９Ｊ量级，达到探测器探测灵敏度的极限。在继续研制和开发有更高灵敏
收稿日期：２９０３０５０６恬敢日期－２００３一０６—１２
基金项目．嗣索９７３技术资助项目（００１ＣＢ３０９３０２）；广州市科技攻关资助项目（１９９９
２０３５０００１
万方数据
光
电予技术与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
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度的新型结构的光探测器的同时，研究发现和改进上升更快。所以，最佳信噪比的工作电压不是响应ＡＰＤ（雪崩光电二极管）的控制驱动技术，用市场上灵敏度最高的电压。对于单光子探测，响应灵敏度现有的ＡＰＤ也能够实现单光子探测。目前世界～ｋ是主要追求目标，要在获得最大可能的探测灵敏度成功实验的量子保密通信系统是靠改进ＡＰＤ控制的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
驱动技术实现的。这一技术上的突破，带动了关于对光子的响应灵敏度由两部分组成，一部分是ＡＰＤ特性及其控制驱动技术的研究．本文分析用光谱响应灵敏度，可以用量子效率来表示，即一个ＡＰＤ实现单光子探测的控制驱动技术，并重点分光子被吸收后产生一个光电子的概率；另一部分是析丁门模技术。
光电子的放大和倍增。光谱响应是第一限制，是应２
用选择的第一依据．例如，光电倍增管倍增因子很ＳＰＡＤ单光子探测器
好，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数了，２．１单光子探测器
但最好的红外光阴极Ｓ１阴极，即ＡｇＯＣｓ阴极的光实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被
谱响应到１０５０ｎｔｎ就已经截止了，仅这～点就排除探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背了它在红外通信波段中的应用．即便在８５０ｎｍ波景噪声要尽可能少。提高响应灵敏度和降低噪声是段，在实验室中也能用于量子密码通信实验，但考两个互相制约的因素。在常规通信系统中，最佳信虑到其工作电压很高和使用维护的复杂程度，实际噪比是个好的选择。响应灵敏度和暗电流都随工作应用中还是应选Ｓｉ—ＡＰＤ雪崩光电二极管，表１是电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压
几种高灵敏度光电探测器的典型数据比较。
表１几种高灵敏度光电探测嚣的比较
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ
探测器工作波段（ｎｍ）
主要应用波段（ｎｍ）
量子效率
暗电流（Ａ／Ｖ）
Ｓ１一ＰＭＴ
５００—１０５０６００４８００３０％
１０—１０＠１２００Ｖ
Ｓｌ—ＡＰＤ３５０—１１００６００—８００８５％１０－８＠４００Ｖ
Ｇｅ—ＡＰＤ５００—１８２０１３１０．１５００７５％
１０—７＠３０ＶＩｎＧａＡｓ．ＡＰＤ
８００～１７５０
１３１０．１５００
８０％
１０－－ｓ⑩５０Ｖ
暗电流随工作电压而改变，一种比较合理的办所以，单光子雪崩光电二极管（ＳＰＡＤ）都采用吸收法是在比雷崩击穿电压低２Ｖ时的测赶值。高于区和倍增区分开的结构。ＩｎＰ—ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ用ＩｎＰ此电压时，暗电流迅速倍增并超过信号功率，而低作为雪崩倍增区材料，
Ｓｉ
ＡＰＤ用Ｓｉ作为雪崩倍
于此值时，暗电流的增加相对平缓。可以看到，在增区材料。ＩｎＰ—ＩｎＧａＡｓＡＰＤ采用ＩⅡ
ｖ族材料生
红外通信的１３１０—１５５０Ｉｌａｌ波段有两种器件可以选长，可以有很好的晶格匹配，直接在ＩｎＰ衬底上生择。但Ｇｅ．ＡＰＤ在大约３０Ｖ时暗电流就接近微安长，生长的材料质量较好，ｓｊ材料可以有较大的增了，所以，目前ｌｎＧａＡｓ—ＡＰＤ成为量子保密通信应益系数，可以承受较高的工作电压，但在工艺卜－目用开发的主要单光于探测器。
前还达不到。目前有公司在试制这种管子，在受光２．２
ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ单光子探测器一ＳＰＡＤ面积为４０，ａｍ时取Ｍ＝１０，得暗电流２５ｎＡ，雪雪崩光电二极管输出探测电流的增加，响应灵
崩击穿电压才３２Ｖ，不可能有太高的』Ⅵ因子，敏度为
而商售的ＩｎＧａＡｓＡＰＤ已可姒做到工作电压为７５且＝百ＩＡｐＤ＝警＝ＭＲｏ
Ｖ，Ｍ因子达４（）了．
ｆ
Ｊ｛』Ｒ
珂１所示蚓为标准的吸收倍增区ＩｎＰ
ｌｎＧａＡｓ
式中％为入射光功率，，ＡＰＤ是雪崩电流，如为ＡＰＤ结构，倍增区为ＩｎＰ的ＰＮ结耗尽层，ｈｉｐ与光电流，响应灵敏度单位是Ａ／Ｗ。在通信波段选
ＩｎＧａＡｓ之间有缓冲层ＩｎＧａＡｓＰ，与ＩｒｌＰ晶格匹配用ＩｎＧａＡｓＡＰＤ之后，提高器件响应灵敏度的途径
的ＩｎＧａＡｓ材料为直接带隙，禁带宽度为０
７５ｅＶ，
是得到更大的Ｍ因子，Ｍ因与雪崩长度有关，
对应于此雪崩光电二极管的截止波长１６５３ｎｉｉｌ．耗
万
方数据
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尽层宽度随所加反偏电压增加而增加，只有当耗尽层的内建电场进入ＩｎＧａＡｓ的吸收区，光生载流子才能够进入倍增区产生雪崩，使内建电场进入吸收区的外加偏压成为贯通电压，而为了更好接收全部吸收区的光生载流子，提高ＡＰＤ的响应速度，贯通电压应包含整个吸收区，偏压的提高伴随着暗电流的增加，会因随机散粒噪声而产生雪崩，产生自持雪崩的电压称为雪崩击穿电压。雪崩光电二极管工作电压应低手雪崩击穿电压，为了减小暗电流，可采用降低温度的方法，但是研究发现，雪崩击穿电压也随温度的降低而降低。因此，对于有些管型，在温度降低时，雪崩电压会低于贯穿电压，以至噪声引起的雪崩掩盖了光信号的探测。市售的雪崩光电二极管通常仅给出室温下的暗电流及雪崩电压的数据，需要实验对每个雪崩光电二极管的雪崩电压的温度特性及贯穿电压的数据进行测量。要针对具体雪崩管述择适当的工作参数，使雪崩光电二极管有较高的贯穿电压以获得足够高的Ｍ因子，同时要有更高的雪崩电压。
爿ｈｖ正珂亘丑ｃ曲
ｐ‘ｈＷ
ｌｎＧａＡｓＰ
ｎ。ＩｎＰ
Ｊｌ好贯通雪埘叫的
电助分布电场分布
图１
（ａ）ＩｎＧａＡｓＡＰＤ结掏原理图；（ｂ）ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ的能带分布图；（Ｃ１ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ内部电场分布图
Ｆｉｇ
１（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
ＳＡＧＭ
ＡＰＤ；（ｂ）Ｔｈｅ
ｂａｎｄ
ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｂｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ；（Ｃ）Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
ａｔ
ｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｐｏｉｎｔａｎｄａｔ
ｐｕｎｃｈ—ｔｈｒｏｕｇｈ
实际中的ＳＰＡＤ工作在更高的电压，ＡＰＤ两端的电压要高于其雪崩电压，这种工作状态称为盖革模式。在这种模式Ｆ，任何单光子的吸收，都会产生自持的雪崩。若不即时终止雪崩，就会造成雪崩光电二极管的损坏．关于盖革模式的研究直接导
万
方数据致一种得到成功应用的门脉冲技术。
２．３
ＳＰＡＤ的噪声
工作于门模状态的ＳＰＡＤ的噪声主要有三类：
一类是热噪声；第二类是隧穿效应，它直接与高的工作电压有关；第三类是俘获载流子的再释放（即后脉冲）。
制冷是实现高灵敏度探测器必须的基本技术。早期的实验很多用液氮制冷，直接制冷到７７
Ｋ。
在实际应用中用液氮不方便，不同型号的雪崩光电二极管，有一个不同的最佳工作温度区。现在很多研究是关于利用半导体帕尔贴效应的热电制冷方式，在零下３０℃一６５℃工作，已经有很好的单光子探测效果。
隧穿效应是带隙较窄的吸收区的载流子在较高电场作用下，通过隧道效应进入倍增区产生雪崩造成的，因此，在门模工作状态时，门脉冲应尽可能与光子到达时间同步，而且门脉冲的宽度也应尽量窄。
俘获载流子的再释放与器件材料生长质量有关．在雪崩发生时，倍增区材料中的任何缺陷，都会成为载流子的捕获中心，在雪崩终止后，这些被俘获的载流子会逐渐自行释放，如果受到电场加速，它们会再次产生雪崩。对于ＳＰＡＤ用户来说，为了减小被俘获载流子的再释放噪声的影响，门信号之间是要预备较长的间隙时间。综合上述两项，即隧穿效应及后脉冲的影响，ＳＰＡＤ的工作电压脉冲占空比不可能太高，重复频率也比较小。
３
ＡＰＤ单光子探测器的工作方式
ＩｎＧａＡｓ
ＡＰＤ制作的单光子探测器目前还在研
制当中，一些发达国家也有了在１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ波长的单光子探测器研制成功的报道。它们一般工作在三种情况下：无源抑制（ｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎ９１、有源抑制（ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）和门模式（ｇａｔｅｄｉｎｏｄｅ）。它们有着各自的优缺点。３．１无源抑制方式【３】
在单光子探测中，ＡＰＤ一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压．当有光予信号到达ＡＰＤ时，被ＡＰＤ吸收，并使ＡＰＤ迅速雪崩。为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地切断雪崩，并使ＡＰＤ
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恢复到接收光予的状态．
一种简单的无源抑制工作方式的工作原理图如图２所示。在无源抑制电路中，ＡＰＤ和一个大电阻ＲＬ以及一个小电阻Ｒｓ串联，其等效电路图如图（ｂ），其中虚线框中的部分为ＡＰＤ的等效电路．
当没有光子到达时，相当于开关Ｋ断开，ＡＰＤ处于等待状态，％和Ｇ被充电，当有光子到达时，ＡＰＤ发生雪崩，相当于（ｂ）图中的Ｋ闭合。
此时ＡＰＤ处于接收光于状态．ｏ和Ｇ通过凡
和Ｒ。放电。当Ｇ和∞两端电压等于雪崩抑制电压％时，雪崩停止，一般认为Ｋ近似等于Ｋ．
风为ＡＰＤ的电阻（一般为几百欧姆到几千欧姆不等），％为ＡＰＤ的雪崩电压，函为ＡＰＤ的结电容，
锯为分布电容。
此时ｈ通过且Ｌ给岛和Ｇ充电，ＡＰＤ恢复到
接收光子状态。
端将把Ｄ两端当雪崩崩前的
（１）基本原理
为了避免雪崩的缓慢恢复，充分发挥ＡＰＤ单光子探测器的探测效率，人们设计了一种不同于无
Ｆｉｇ３
Ｓｃｈｅｎｍｔｉｃｄｉａｇｒｍｎｏｆ
ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｃｔｉｖｅｌｙｑｕｅｎｃｈｅｄ
源抑制的工作方式一有源抑制．有源抑制的基
本思想是利用把单光子信号产生的脉冲迅速地反馈到ＡＰＤ两端的可控驱动电源，使ＡＰＤ两端的电压迅速降低，从而达到抑制雪崩的目的。一种有源抑制的原理如图３所示。
ＡＰＤ在处于接收状态时，两端的电压高于雪崩电压，当有光子到达时ＡＰＤ迅速雪崩，即有脉
（２）有源抑制的特点【３】
雪崩持续时间疋。是常量，可以控制到很短。其表达式为咒。＝巩＋乃ａ
（１）
式中死为环路反馈时间，Ｂ。为雪崩上升时间．同时探测器的死时间也能够很好地通过外围电路控制．死时间为
万方数据
０
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（７矗），、ｉ。＝２ＴＬ＋咒。＋珏，
（２）式中？ｊ。、Ｒ，分别为抑制脉冲的上升时间和ｑ＂ｌ洋时闻．随着过剩电压％（即ＡＰＤ两端的电压和雪崩电压之差）的增加，（Ｔｋ）。。也增加．在ＶＥ＜１Ｖ的情况下，可达到１０ｎｓ，％在２０Ｖ时，可达到４０ｎｓ．由于抑制脉冲的下降时间乃。非常短，ＡＰＤ在恢复过程中的后脉冲计数将大为降低．
３．３
ＶＪ模工作方式３】
注意到，在上面讨论的两种情况Ｆ，处于接收
状态的ＡＰＤ两端的电压都是处于高于雪崩电压的状态，这样不利于ＡＰＤ的工作寿命，同时如果在某种非信号激发的情况下（如：后脉冲，热激发等），将会产生暗计数。在光子到达时间已知的情况下，如果能够设计一种门．在光子到达的时候将门打开，没有光于到达的时候，门关卜，这样将会大大地提高光子计数的性能。门模工作方式下，当没有光子到达时，ＡＰＤ两端的电压低于雪崩电压，相当于门关闭；在有光子到达的时候，ＡＰＤ两端的电压高于雪崩电压，相当于门打开，这样大大地提高了探测器的性能。
３
３．１被动门电路（ｐａｓｓｉｖｅ
ｇａｔｅｄ
ｃｉｒｃｎｉｔｓ）
（１）直流耦合门（ＤＣ
ｔ浮刚
ｃｏｕｐｌｅｄ
ｇａｔｅ）
叽上
０。
图４直接电流耦合门电路原理图
Ｆｉｇ４
ＤＣｃｏｕｐｌｅｄｇａｔｅｉｎｐｕｔ
在这种电路中，门电压直接和直流偏置垤串
联，如图４所示。这种电路南于其上升和下降时间比较慢，一般为几百皮秒，甚至到数微秒，而且在设计ｒ也存在一些问题，因而在实际应用中不常用。
（２）交流耦台门（ＡＣ
ｃｏｕｐｌｅｄ
ｇａｔｅ）
在这种工作方式Ｆ，门电压通过电容Ｇ。耦合
到ＡＰＤｒ，这种门电路方式应用得比较广泛，其
原理网如图５所示。
考虑副ＡＰＤ的结电容Ｇｌ和电路的分布电容Ｇ，加到０点的门电压的大小为
《＝Ｋ币鲁弧
（３）
万
方数据由上式可知，当ｃｄ＋Ｇ和Ｇ。相近时，则Ｋ的衰减就会很大，由于Ｇｌ和Ｇ的电容不好确定，因而Ｗ的大小也就不好确定，加在ＡＰＤ两端的电压强＋Ｗ的大小也就不能很好地确定。在实际应用当中，一般要求嚷远大于Ｑ＋Ｇ，这样Ｗ就近似等于Ｋ。
‘
。
卟
—ｎ—
Ｌ
一电。
卟
固５交流耦台看鼋路原理图
Ｆｉｇ５
３．３２主动抑制门方式ｆａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｇａｔｉｎｇ
ｃｉｒｃｕｉｔ）
主动抑制门电路是有源抑制和门电路相结合的，在没有光于信号时，ＡＰＤ两端的电压低于雪崩电压。当有光子信号到达时，门信号电压加到ＡＰＤ上，使其发生雪崩．随后，雪崩脉冲信号被反馈到有源抑制电路，使雪崩迅速抑制．门信号和ＡＰＤ脉冲信号的关系如图６所示ｊ８］．
。。厂］！！
ＡＰＤ
ｐｕｌｓｅ
门
图６门信号和ＡＰＤ脉冲的关系
Ｆｉｇ
６
ＴｅｍｐｏｒａｌｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｗａｖｅｆｏｉＩｎｓ
ｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｔｈｅ
ａｖａｌａｎｃｈｅ
ｐｕｌｓｅｆｒｏｍｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ
与被动抑制门电路工作方式相比，ＡＰＤ具有更窄的脉宽，从而减小了后脉冲的影响，提高了光子计数率。
门模电路与无源抑制，有源抑制电路相比，具有更高的计数率，更低的暗计数率，更低的后脉冲影响。同时，门模工作方式下，ＡＰＤ只是短暂时间工作于盖革模式下，使ＡＰＤ工作于更安全的状态，提高了ＡＰＤ的使用寿命．表２为不同的工作方式下ＡＰＤ的各项参数，由表２可知，门模工作
方式明显要好于其他工作方式［１５１。门模工作方式
光
电ｆ技
术
与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
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１１
要求¨信号和光子信号要做到完全同步，否则会降这一点是完全可以做到的，因而它是ＱＫＤ系统中低计数率．但是在量子密钥分发系统（ＱＫＤ）中，
的一种理想的选择。
表２不同Ｉ作模式下的ＡＰＤ单光子计数比较
Ｔａｂｌｅ２
Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＡＰＤｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅ
ＡＰＤ型号工作方式
工作温度
死时间
脉冲宽度
暗计数（ｃｏｕｎｔ／ｓ）
ＥＧ＆Ｇ无源抑制一１９３℃
１／Ｊｓ
２０
ｎｓ
１００～５００
Ｃ３ｆ１９０２ＳＥＧ＆Ｇ有源抑制一１９３℃６０～８０
ｕｓ
２０ｎｓ１００
Ｃ３０９０２ＳＥＧ＆Ｇ
门模方式
一５０℃６０ｎｓ１５
ｎｓ
２００
Ｃ３０９０２ＥＱＣ一０２
４
小结
【５】Ｌａｃａｉｔａ
Ａ，ｅｔａｌ
Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈｏｔｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｃ—
ｙｏｎｄ１“ｍ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉ＆ｌｌｙａｖａｉｌ—
单光子探测研究已经取得了很大的成就，但还ａｂｌｅ
ＩｎＧａＡｓ／ｔｎＰｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９６．
是不能够满足人ｆｌ＇Ｊｘｔ高科技领域探索的需求．现有９５（１６）：２９８６—２９９６
ＨｉｓｋｅｔｔＰ的单光子探测器一般都要求在低温下工作，这样就『６１
Ａ，ｅｔａ／．ＰｅｒｆｏｒｍａｎｅｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆＩｎ—ＧａＡｓ／ＩｎＰｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇａｔ１．５５ｕｍ［Ｊ］ＡｐｐｌＯｐｔ，２０００，３９（３６）６８１８—６８２０
的单光子探测器，将是未来的一个发展方向．随着［７】Ｂｒｏｗｎ
ＲＧ
Ｗ，ＫｅｖｉｎＤ，ｅｔａｌ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｓｉｌｉｃｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒｐｈｏｔｏｎ
ｃｏｒｒｅ—
ｔａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｌ：Ｐａｓｓｉｖｅ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ［Ｊ］Ａｐｐｌ
ｎｌｎ和１５５０
ｎｉｎ波长的单光子探测将是未
ｏｐｔ，１９８６，２５（２２）：４１２２［８】Ｌａｃａｉｔａ
Ａ，ＦｒａｎｃｅｓｅＰ
Ａ，ｅｔ
ａｊ．Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈｏ—
ｔｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｅｙｏｎｄ１ｐｍ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｒｎ－
ｍｅｒｃｉａｌｌｙａｖａｌａｎｃｈｅａｖａｉｌａｂｌｅｇｅｒｍａｎｉｕｍｐｈｏｔｏｄｉ—
ｏｄｅｓ［Ｊ】ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９４，３３（３０）：６９０２—６９１８【９】Ｂｒｏｗｎ
ＲＧ
Ｗ，．１０ｎｅｓＲ，ｅｔａｌ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆ
ｓｉｌｉｃｏｎａｖａｌａｎｃｈｅ测器件，另一方面，将不断地对外围控制驱动电路ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒ
ｐｈｏｔｏｎ
ｃｏｒｒｅｌａ－
ｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ２：Ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ［．Ｔ１．４ｐｐｌ
Ｏｐｔ，１９８７，２６（１２）：２３８３～２３８９．
【ｌＯｌ
Ｌｅｖｉｎｅ
Ｆ，Ｂｅｔｈｅａ
Ｃ
Ｇ
Ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎ
ｄｅｔｅｃ—
参考文献：
ｔｉｏｎ
ａｔ
１
３，ａｍ
ｕｓｉｎｇａ
ｇａｔｅｄ
ａｗｔａｎｃｈｅ
ｐｈｏｔｏｄｉ—
ｏｄｅ［Ｊ】１９８４．Ａｐｐｌ１１
Ｐ妙Ｌｅｔｔ，４４（５）：５５３—５５５
ＲｉｂｏｒｄｙＧ
Ｄｅｎｉｄｌ
Ｊ
ｅｔ
ａｌ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ
Ｌｅｖｉｎｅ
ＢＦ，ＢｅｔｈｅａＣＧ
１０
ＭＨｚｓｉｎｇｌｅｐｈｏ－
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
ａｖａｌａｎｃｈｅ
【１１１
ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓａｓ
ｇａｔｅｄ－
ｔｏｎ
ｃｏｕｎｔｉｎｇ
ａｔ
１３
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ＩＥＥＥｉｎｔｅｒｎａｔ
２】Ｐｒｏｃｈａｚｋａ
ＩＰｅｌｔｉｅｒ－ｃｏｏｌｅｄａｎｄａｃｔｉｖｅｌｙｑｕｅｎｃｈｅｄ
ｃｏｎｆ．ｏｎ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ
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Ｋ
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４１
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５１梁刨，廖静．等硅雪崩光电二极管单光子探
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Ｐｅｌｔｉｅｒ．ｃｏｏｌｅｄ
ａｎｄ
ｐａｓｓｉｖｅｌｙ
ｑｎｅｎｃｈｅｄ
Ｉｎ—
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１６１朱登元，王小平．ＡＰＤ、ＰＭＴ及其混合型高灵敏
３９（３６）：６７４６～６７５９度光电探测器…半导体技术，２０００，２５（３）：５—８
作者简介：
张鹏飞
（１９７６一）．男．广东工业大学应用物理暴硕士研究生，主要研究方向光电予，光纤通信
万
方数据增加了系统的复杂程度和体积．能够在室温下工作量子通信技术的发展，对红外单光子的探测，特别是对１３１０
来单光子探测技术发展的一个重要方向。对单光子探测器的研究将从两个方面去考虑，一方面，对探测器件本身的结构和生产工艺进行探索和提高，以便研究出新型的结构更加合理、性能更加稳定的探进行改造，以达到单光子探测的目的．
APD单光子探测技术
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张鹏飞， 周金运， 廖常俊， 刘颂豪
张鹏飞,周金运(广东工业大学应用物理系,广东,广州,510090)， 廖常俊,刘颂豪(华南师范大学量电所,广东,广州,510631)
光电子技术与信息
OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY & INFORMATION2003,16(6)9次
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引用本文格式：张鹏飞.周金运.廖常俊.刘颂豪 APD单光子探测技术[期刊论文]-光电子技术与信息 2003(6)
６
光电子技术与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２００３
Ｄｅｃ；１６（６）
ＡＰＤ单光子探测技术
张鹏飞－，周金运１，廖常俊：，刘颂豪。
（１广东工业大学应用物理系．广东
广州
５１００９０
２华南师范大学量电所，广东广州５１０６３１）
摘要：单光于探测器是量子保密通信的主要器件。同时也是量了：通信中重要的研究课题。本文分别介绍
了量一ｆ保密通信用ＡＰＤ单光子探测技术及其工作在无源抑制、有潺抑制和门模式下的基本工作特性，分析了他们各自的优缺点及其未来的发展方向．
关键词：单光子探测；无源抑制；有源抑制；门模方式中图分娄号：ＴＮ９１８
文献标识码：Ａ
文献编号：１００６—１２３１（２００ａ）００—０００６－（１６
ＡＰＤＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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（１
ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＧｕａａｌｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
５１００９０，Ｃｈｉｎａ；
２ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：
ｉｔ
ｉｓ
Ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓ州ｂｕｔｉｏｎ（ＱＫＤ），ａｎｄ
ａｌｓｏｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｎｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅＡＰＤｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎ
ｔｈｅｉｒｂａｓｉｃｗｏｒｋｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｏｒｋｉｎｇｉｎｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆ
ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ（ＳＰＡＤ）ａｎｄ
ａｎｄｇａｔｅｄｍｏｄｅ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ
ＳＰＡＤ∽ｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｇａｔ，ｅｄｎｌｏ（１ｅ
引言
迅速的发展Ｉ”】。１９９２年，Ｂｅｎｎｅｔｔ义提出一种更
简单但效率减半的方案，即Ｂ９２协议㈦．基于另
量下通信技术是利用光在微观世界中的量子特性，让一个个光子的量子态传输经典的“０”和“１”的数字信息。从理论上说，它可以传输无限量的信息。量予通信技术的另一个特点是能够用于开发无法破译的密码。量子密码术是密码术与量子
一种量子现象即Ｅｉｎｓｔｅｉｎ—Ｐｏｄｏｌｓｋｙ—Ｂｏｓｅｎ（ＥＰＲ）佯谬，Ｅｋｅｒｔ于１９９１年提出了用双量子纠缠态实现
量子密码术，即ＥＰＲ协议㈣。量子密码术是根
据黉子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被立即发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。而量子密钥系统中一项关键的技术就是在光纤通信的三个低损耗窗口（即：８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ和
１５５０
力学结台的产物一采用量子态作为信息载体，
经由虽子信道传送，在合法用户之间建立共享的密钥。１９７０年美国科学家Ｗｉｅｓｎｅｒ首先提出把量子物理用于密码术。１９８４年，Ｂｅｎｎｅｔｔ和Ｂｒａｓｓａｒｄ提出了第一个量子密码术方案，称为ＢＢ８４协议，并很快在实验ｔ实现了，量子保密通信从此得到了
１１１１１）中实现单光于探测。在通信的这三个窗
口，单光予的能量都在１０＿１９Ｊ量级，达到探测器探测灵敏度的极限。在继续研制和开发有更高灵敏
收稿日期：２９０３０５０６恬敢日期－２００３一０６—１２
基金项目．嗣索９７３技术资助项目（００１ＣＢ３０９３０２）；广州市科技攻关资助项目（１９９９
２０３５０００１
万方数据
光
电予技术与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
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７
度的新型结构的光探测器的同时，研究发现和改进上升更快。所以，最佳信噪比的工作电压不是响应ＡＰＤ（雪崩光电二极管）的控制驱动技术，用市场上灵敏度最高的电压。对于单光子探测，响应灵敏度现有的ＡＰＤ也能够实现单光子探测。目前世界～ｋ是主要追求目标，要在获得最大可能的探测灵敏度成功实验的量子保密通信系统是靠改进ＡＰＤ控制的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
驱动技术实现的。这一技术上的突破，带动了关于对光子的响应灵敏度由两部分组成，一部分是ＡＰＤ特性及其控制驱动技术的研究．本文分析用光谱响应灵敏度，可以用量子效率来表示，即一个ＡＰＤ实现单光子探测的控制驱动技术，并重点分光子被吸收后产生一个光电子的概率；另一部分是析丁门模技术。
光电子的放大和倍增。光谱响应是第一限制，是应２
用选择的第一依据．例如，光电倍增管倍增因子很ＳＰＡＤ单光子探测器
好，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数了，２．１单光子探测器
但最好的红外光阴极Ｓ１阴极，即ＡｇＯＣｓ阴极的光实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被
谱响应到１０５０ｎｔｎ就已经截止了，仅这～点就排除探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背了它在红外通信波段中的应用．即便在８５０ｎｍ波景噪声要尽可能少。提高响应灵敏度和降低噪声是段，在实验室中也能用于量子密码通信实验，但考两个互相制约的因素。在常规通信系统中，最佳信虑到其工作电压很高和使用维护的复杂程度，实际噪比是个好的选择。响应灵敏度和暗电流都随工作应用中还是应选Ｓｉ—ＡＰＤ雪崩光电二极管，表１是电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压
几种高灵敏度光电探测器的典型数据比较。
表１几种高灵敏度光电探测嚣的比较
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ
探测器工作波段（ｎｍ）
主要应用波段（ｎｍ）
量子效率
暗电流（Ａ／Ｖ）
Ｓ１一ＰＭＴ
５００—１０５０６００４８００３０％
１０—１０＠１２００Ｖ
Ｓｌ—ＡＰＤ３５０—１１００６００—８００８５％１０－８＠４００Ｖ
Ｇｅ—ＡＰＤ５００—１８２０１３１０．１５００７５％
１０—７＠３０ＶＩｎＧａＡｓ．ＡＰＤ
８００～１７５０
１３１０．１５００
８０％
１０－－ｓ⑩５０Ｖ
暗电流随工作电压而改变，一种比较合理的办所以，单光子雪崩光电二极管（ＳＰＡＤ）都采用吸收法是在比雷崩击穿电压低２Ｖ时的测赶值。高于区和倍增区分开的结构。ＩｎＰ—ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ用ＩｎＰ此电压时，暗电流迅速倍增并超过信号功率，而低作为雪崩倍增区材料，
Ｓｉ
ＡＰＤ用Ｓｉ作为雪崩倍
于此值时，暗电流的增加相对平缓。可以看到，在增区材料。ＩｎＰ—ＩｎＧａＡｓＡＰＤ采用ＩⅡ
ｖ族材料生
红外通信的１３１０—１５５０Ｉｌａｌ波段有两种器件可以选长，可以有很好的晶格匹配，直接在ＩｎＰ衬底上生择。但Ｇｅ．ＡＰＤ在大约３０Ｖ时暗电流就接近微安长，生长的材料质量较好，ｓｊ材料可以有较大的增了，所以，目前ｌｎＧａＡｓ—ＡＰＤ成为量子保密通信应益系数，可以承受较高的工作电压，但在工艺卜－目用开发的主要单光于探测器。
前还达不到。目前有公司在试制这种管子，在受光２．２
ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ单光子探测器一ＳＰＡＤ面积为４０，ａｍ时取Ｍ＝１０，得暗电流２５ｎＡ，雪雪崩光电二极管输出探测电流的增加，响应灵
崩击穿电压才３２Ｖ，不可能有太高的』Ⅵ因子，敏度为
而商售的ＩｎＧａＡｓＡＰＤ已可姒做到工作电压为７５且＝百ＩＡｐＤ＝警＝ＭＲｏ
Ｖ，Ｍ因子达４（）了．
ｆ
Ｊ｛』Ｒ
珂１所示蚓为标准的吸收倍增区ＩｎＰ
ｌｎＧａＡｓ
式中％为入射光功率，，ＡＰＤ是雪崩电流，如为ＡＰＤ结构，倍增区为ＩｎＰ的ＰＮ结耗尽层，ｈｉｐ与光电流，响应灵敏度单位是Ａ／Ｗ。在通信波段选
ＩｎＧａＡｓ之间有缓冲层ＩｎＧａＡｓＰ，与ＩｒｌＰ晶格匹配用ＩｎＧａＡｓＡＰＤ之后，提高器件响应灵敏度的途径
的ＩｎＧａＡｓ材料为直接带隙，禁带宽度为０
７５ｅＶ，
是得到更大的Ｍ因子，Ｍ因与雪崩长度有关，
对应于此雪崩光电二极管的截止波长１６５３ｎｉｉｌ．耗
万
方数据
８
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尽层宽度随所加反偏电压增加而增加，只有当耗尽层的内建电场进入ＩｎＧａＡｓ的吸收区，光生载流子才能够进入倍增区产生雪崩，使内建电场进入吸收区的外加偏压成为贯通电压，而为了更好接收全部吸收区的光生载流子，提高ＡＰＤ的响应速度，贯通电压应包含整个吸收区，偏压的提高伴随着暗电流的增加，会因随机散粒噪声而产生雪崩，产生自持雪崩的电压称为雪崩击穿电压。雪崩光电二极管工作电压应低手雪崩击穿电压，为了减小暗电流，可采用降低温度的方法，但是研究发现，雪崩击穿电压也随温度的降低而降低。因此，对于有些管型，在温度降低时，雪崩电压会低于贯穿电压，以至噪声引起的雪崩掩盖了光信号的探测。市售的雪崩光电二极管通常仅给出室温下的暗电流及雪崩电压的数据，需要实验对每个雪崩光电二极管的雪崩电压的温度特性及贯穿电压的数据进行测量。要针对具体雪崩管述择适当的工作参数，使雪崩光电二极管有较高的贯穿电压以获得足够高的Ｍ因子，同时要有更高的雪崩电压。
爿ｈｖ正珂亘丑ｃ曲
ｐ‘ｈＷ
ｌｎＧａＡｓＰ
ｎ。ＩｎＰ
Ｊｌ好贯通雪埘叫的
电助分布电场分布
图１
（ａ）ＩｎＧａＡｓＡＰＤ结掏原理图；（ｂ）ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ的能带分布图；（Ｃ１ＩｎＧａＡｓ—ＡＰＤ内部电场分布图
Ｆｉｇ
１（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
ＳＡＧＭ
ＡＰＤ；（ｂ）Ｔｈｅ
ｂａｎｄ
ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｂｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ；（Ｃ）Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅ
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
ａｔ
ｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｐｏｉｎｔａｎｄａｔ
ｐｕｎｃｈ—ｔｈｒｏｕｇｈ
实际中的ＳＰＡＤ工作在更高的电压，ＡＰＤ两端的电压要高于其雪崩电压，这种工作状态称为盖革模式。在这种模式Ｆ，任何单光子的吸收，都会产生自持的雪崩。若不即时终止雪崩，就会造成雪崩光电二极管的损坏．关于盖革模式的研究直接导
万
方数据致一种得到成功应用的门脉冲技术。
２．３
ＳＰＡＤ的噪声
工作于门模状态的ＳＰＡＤ的噪声主要有三类：
一类是热噪声；第二类是隧穿效应，它直接与高的工作电压有关；第三类是俘获载流子的再释放（即后脉冲）。
制冷是实现高灵敏度探测器必须的基本技术。早期的实验很多用液氮制冷，直接制冷到７７
Ｋ。
在实际应用中用液氮不方便，不同型号的雪崩光电二极管，有一个不同的最佳工作温度区。现在很多研究是关于利用半导体帕尔贴效应的热电制冷方式，在零下３０℃一６５℃工作，已经有很好的单光子探测效果。
隧穿效应是带隙较窄的吸收区的载流子在较高电场作用下，通过隧道效应进入倍增区产生雪崩造成的，因此，在门模工作状态时，门脉冲应尽可能与光子到达时间同步，而且门脉冲的宽度也应尽量窄。
俘获载流子的再释放与器件材料生长质量有关．在雪崩发生时，倍增区材料中的任何缺陷，都会成为载流子的捕获中心，在雪崩终止后，这些被俘获的载流子会逐渐自行释放，如果受到电场加速，它们会再次产生雪崩。对于ＳＰＡＤ用户来说，为了减小被俘获载流子的再释放噪声的影响，门信号之间是要预备较长的间隙时间。综合上述两项，即隧穿效应及后脉冲的影响，ＳＰＡＤ的工作电压脉冲占空比不可能太高，重复频率也比较小。
３
ＡＰＤ单光子探测器的工作方式
ＩｎＧａＡｓ
ＡＰＤ制作的单光子探测器目前还在研
制当中，一些发达国家也有了在１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ波长的单光子探测器研制成功的报道。它们一般工作在三种情况下：无源抑制（ｐａｓｓｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎ９１、有源抑制（ａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）和门模式（ｇａｔｅｄｉｎｏｄｅ）。它们有着各自的优缺点。３．１无源抑制方式【３】
在单光子探测中，ＡＰＤ一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压．当有光予信号到达ＡＰＤ时，被ＡＰＤ吸收，并使ＡＰＤ迅速雪崩。为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地切断雪崩，并使ＡＰＤ
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９
恢复到接收光予的状态．
一种简单的无源抑制工作方式的工作原理图如图２所示。在无源抑制电路中，ＡＰＤ和一个大电阻ＲＬ以及一个小电阻Ｒｓ串联，其等效电路图如图（ｂ），其中虚线框中的部分为ＡＰＤ的等效电路．
当没有光子到达时，相当于开关Ｋ断开，ＡＰＤ处于等待状态，％和Ｇ被充电，当有光子到达时，ＡＰＤ发生雪崩，相当于（ｂ）图中的Ｋ闭合。
此时ＡＰＤ处于接收光于状态．ｏ和Ｇ通过凡
和Ｒ。放电。当Ｇ和∞两端电压等于雪崩抑制电压％时，雪崩停止，一般认为Ｋ近似等于Ｋ．
风为ＡＰＤ的电阻（一般为几百欧姆到几千欧姆不等），％为ＡＰＤ的雪崩电压，函为ＡＰＤ的结电容，
锯为分布电容。
此时ｈ通过且Ｌ给岛和Ｇ充电，ＡＰＤ恢复到
接收光子状态。
端将把Ｄ两端当雪崩崩前的
（１）基本原理
为了避免雪崩的缓慢恢复，充分发挥ＡＰＤ单光子探测器的探测效率，人们设计了一种不同于无
Ｆｉｇ３
Ｓｃｈｅｎｍｔｉｃｄｉａｇｒｍｎｏｆ
ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｃｔｉｖｅｌｙｑｕｅｎｃｈｅｄ
源抑制的工作方式一有源抑制．有源抑制的基
本思想是利用把单光子信号产生的脉冲迅速地反馈到ＡＰＤ两端的可控驱动电源，使ＡＰＤ两端的电压迅速降低，从而达到抑制雪崩的目的。一种有源抑制的原理如图３所示。
ＡＰＤ在处于接收状态时，两端的电压高于雪崩电压，当有光子到达时ＡＰＤ迅速雪崩，即有脉
（２）有源抑制的特点【３】
雪崩持续时间疋。是常量，可以控制到很短。其表达式为咒。＝巩＋乃ａ
（１）
式中死为环路反馈时间，Ｂ。为雪崩上升时间．同时探测器的死时间也能够很好地通过外围电路控制．死时间为
万方数据
０
光电子技术与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＩｎｆｏｒｍａｔＳｏｎ
２００３
Ｄｅｃ；１６（６）
（７矗），、ｉ。＝２ＴＬ＋咒。＋珏，
（２）式中？ｊ。、Ｒ，分别为抑制脉冲的上升时间和ｑ＂ｌ洋时闻．随着过剩电压％（即ＡＰＤ两端的电压和雪崩电压之差）的增加，（Ｔｋ）。。也增加．在ＶＥ＜１Ｖ的情况下，可达到１０ｎｓ，％在２０Ｖ时，可达到４０ｎｓ．由于抑制脉冲的下降时间乃。非常短，ＡＰＤ在恢复过程中的后脉冲计数将大为降低．
３．３
ＶＪ模工作方式３】
注意到，在上面讨论的两种情况Ｆ，处于接收
状态的ＡＰＤ两端的电压都是处于高于雪崩电压的状态，这样不利于ＡＰＤ的工作寿命，同时如果在某种非信号激发的情况下（如：后脉冲，热激发等），将会产生暗计数。在光子到达时间已知的情况下，如果能够设计一种门．在光子到达的时候将门打开，没有光于到达的时候，门关卜，这样将会大大地提高光子计数的性能。门模工作方式下，当没有光子到达时，ＡＰＤ两端的电压低于雪崩电压，相当于门关闭；在有光子到达的时候，ＡＰＤ两端的电压高于雪崩电压，相当于门打开，这样大大地提高了探测器的性能。
３
３．１被动门电路（ｐａｓｓｉｖｅ
ｇａｔｅｄ
ｃｉｒｃｎｉｔｓ）
（１）直流耦合门（ＤＣ
ｔ浮刚
ｃｏｕｐｌｅｄ
ｇａｔｅ）
叽上
０。
图４直接电流耦合门电路原理图
Ｆｉｇ４
ＤＣｃｏｕｐｌｅｄｇａｔｅｉｎｐｕｔ
在这种电路中，门电压直接和直流偏置垤串
联，如图４所示。这种电路南于其上升和下降时间比较慢，一般为几百皮秒，甚至到数微秒，而且在设计ｒ也存在一些问题，因而在实际应用中不常用。
（２）交流耦台门（ＡＣ
ｃｏｕｐｌｅｄ
ｇａｔｅ）
在这种工作方式Ｆ，门电压通过电容Ｇ。耦合
到ＡＰＤｒ，这种门电路方式应用得比较广泛，其
原理网如图５所示。
考虑副ＡＰＤ的结电容Ｇｌ和电路的分布电容Ｇ，加到０点的门电压的大小为
《＝Ｋ币鲁弧
（３）
万
方数据由上式可知，当ｃｄ＋Ｇ和Ｇ。相近时，则Ｋ的衰减就会很大，由于Ｇｌ和Ｇ的电容不好确定，因而Ｗ的大小也就不好确定，加在ＡＰＤ两端的电压强＋Ｗ的大小也就不能很好地确定。在实际应用当中，一般要求嚷远大于Ｑ＋Ｇ，这样Ｗ就近似等于Ｋ。
‘
。
卟
—ｎ—
Ｌ
一电。
卟
固５交流耦台看鼋路原理图
Ｆｉｇ５
３．３２主动抑制门方式ｆａｃｔｉｖｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｇａｔｉｎｇ
ｃｉｒｃｕｉｔ）
主动抑制门电路是有源抑制和门电路相结合的，在没有光于信号时，ＡＰＤ两端的电压低于雪崩电压。当有光子信号到达时，门信号电压加到ＡＰＤ上，使其发生雪崩．随后，雪崩脉冲信号被反馈到有源抑制电路，使雪崩迅速抑制．门信号和ＡＰＤ脉冲信号的关系如图６所示ｊ８］．
。。厂］！！
ＡＰＤ
ｐｕｌｓｅ
门
图６门信号和ＡＰＤ脉冲的关系
Ｆｉｇ
６
ＴｅｍｐｏｒａｌｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｗａｖｅｆｏｉＩｎｓ
ｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｔｈｅ
ａｖａｌａｎｃｈｅ
ｐｕｌｓｅｆｒｏｍｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ
与被动抑制门电路工作方式相比，ＡＰＤ具有更窄的脉宽，从而减小了后脉冲的影响，提高了光子计数率。
门模电路与无源抑制，有源抑制电路相比，具有更高的计数率，更低的暗计数率，更低的后脉冲影响。同时，门模工作方式下，ＡＰＤ只是短暂时间工作于盖革模式下，使ＡＰＤ工作于更安全的状态，提高了ＡＰＤ的使用寿命．表２为不同的工作方式下ＡＰＤ的各项参数，由表２可知，门模工作
方式明显要好于其他工作方式［１５１。门模工作方式
光
电ｆ技
术
与信息ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２００３
Ｄｅ【：：１６（６）
１１
要求¨信号和光子信号要做到完全同步，否则会降这一点是完全可以做到的，因而它是ＱＫＤ系统中低计数率．但是在量子密钥分发系统（ＱＫＤ）中，
的一种理想的选择。
表２不同Ｉ作模式下的ＡＰＤ单光子计数比较
Ｔａｂｌｅ２
Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＡＰＤｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅ
ＡＰＤ型号工作方式
工作温度
死时间
脉冲宽度
暗计数（ｃｏｕｎｔ／ｓ）
ＥＧ＆Ｇ无源抑制一１９３℃
１／Ｊｓ
２０
ｎｓ
１００～５００
Ｃ３ｆ１９０２ＳＥＧ＆Ｇ有源抑制一１９３℃６０～８０
ｕｓ
２０ｎｓ１００
Ｃ３０９０２ＳＥＧ＆Ｇ
门模方式
一５０℃６０ｎｓ１５
ｎｓ
２００
Ｃ３０９０２ＥＱＣ一０２
４
小结
【５】Ｌａｃａｉｔａ
Ａ，ｅｔａｌ
Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈｏｔｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｃ—
ｙｏｎｄ１“ｍ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉ＆ｌｌｙａｖａｉｌ—
单光子探测研究已经取得了很大的成就，但还ａｂｌｅ
ＩｎＧａＡｓ／ｔｎＰｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９６．
是不能够满足人ｆｌ＇Ｊｘｔ高科技领域探索的需求．现有９５（１６）：２９８６—２９９６
ＨｉｓｋｅｔｔＰ的单光子探测器一般都要求在低温下工作，这样就『６１
Ａ，ｅｔａ／．ＰｅｒｆｏｒｍａｎｅｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆＩｎ—ＧａＡｓ／ＩｎＰｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇａｔ１．５５ｕｍ［Ｊ］ＡｐｐｌＯｐｔ，２０００，３９（３６）６８１８—６８２０
的单光子探测器，将是未来的一个发展方向．随着［７】Ｂｒｏｗｎ
ＲＧ
Ｗ，ＫｅｖｉｎＤ，ｅｔａｌ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ｏｆｓｉｌｉｃｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒｐｈｏｔｏｎ
ｃｏｒｒｅ—
ｔａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｌ：Ｐａｓｓｉｖｅ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ［Ｊ］Ａｐｐｌ
ｎｌｎ和１５５０
ｎｉｎ波长的单光子探测将是未
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Ａ，ＦｒａｎｃｅｓｅＰ
Ａ，ｅｔ
ａｊ．Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈｏ—
ｔｏｎ
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ｍｅｒｃｉａｌｌｙａｖａｌａｎｃｈｅａｖａｉｌａｂｌｅｇｅｒｍａｎｉｕｍｐｈｏｔｏｄｉ—
ｏｄｅｓ［Ｊ】ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９４，３３（３０）：６９０２—６９１８【９】Ｂｒｏｗｎ
ＲＧ
Ｗ，．１０ｎｅｓＲ，ｅｔａｌ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆ
ｓｉｌｉｃｏｎａｖａｌａｎｃｈｅ测器件，另一方面，将不断地对外围控制驱动电路ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｆｏｒ
ｐｈｏｔｏｎ
ｃｏｒｒｅｌａ－
ｔｉｏｎ
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【ｌＯｌ
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ＩＥＥＥｉｎｔｅｒｎａｔ
２】Ｐｒｏｃｈａｚｋａ
ＩＰｅｌｔｉｅｒ－ｃｏｏｌｅｄａｎｄａｃｔｉｖｅｌｙｑｕｅｎｃｈｅｄ
ｃｏｎｆ．ｏｎ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ
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４１
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５１梁刨，廖静．等硅雪崩光电二极管单光子探
ｏｆ
Ｐｅｌｔｉｅｒ．ｃｏｏｌｅｄ
ａｎｄ
ｐａｓｓｉｖｅｌｙ
ｑｎｅｎｃｈｅｄ
Ｉｎ—
测器［１１光ｒ学报，２０００，２９（１２）：１１４２—１１４７ＧａＡｓａｖａｌａｎｃｈｅ
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３９（３６）：６７４６～６７５９度光电探测器…半导体技术，２０００，２５（３）：５—８
作者简介：
张鹏飞
（１９７６一）．男．广东工业大学应用物理暴硕士研究生，主要研究方向光电予，光纤通信
万
方数据增加了系统的复杂程度和体积．能够在室温下工作量子通信技术的发展，对红外单光子的探测，特别是对１３１０
来单光子探测技术发展的一个重要方向。对单光子探测器的研究将从两个方面去考虑，一方面，对探测器件本身的结构和生产工艺进行探索和提高，以便研究出新型的结构更加合理、性能更加稳定的探进行改造，以达到单光子探测的目的．
APD单光子探测技术
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张鹏飞， 周金运， 廖常俊， 刘颂豪
张鹏飞,周金运(广东工业大学应用物理系,广东,广州,510090)， 廖常俊,刘颂豪(华南师范大学量电所,广东,广州,510631)
光电子技术与信息
OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY & INFORMATION2003,16(6)9次
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引用本文格式：张鹏飞.周金运.廖常俊.刘颂豪 APD单光子探测技术[期刊论文]-光电子技术与信息 2003(6)