（光学工程专业论文）对单光子探测器热电制冷系统的研究.pdf

摘要 单光子探测器是量子密钥分配系统中的关键器件。在光 通信的红外波段，到目前为止的最好选择是吸收和倍增分区 的i n g a a s i n p 雪崩光电二极管( a v a l a n e h ep h o t o d i o d e ， a pd ) 。这种a pd 必须工作于盖革模式来开发其极限灵敏度， 门控技术是实现盖革模式的有效方法。用i n ga as i n p 雪崩光 电二极管进行单光子探测受到暗计数的影响较大，且光电子 和热电子都会得到相同的放大。目前单光子探测器的量子效 率仍然很低，影响单光子探测器的探测效率的主要因素为暗 计数，是导致误码率的主要因素。红外探测器中，热噪声是 探测器噪声和误码的主要来源。为了减小热噪声对暗计数的 影响，我们采用制冷技术与门控技术相结合的方法。本论文 总结分析了15 50 n m 波长单光子探测器a p d 的结构、工作原 理、噪声以及重要的特性参数等知识。分析了暗计数产生的 来源及其对应减小暗计数的方法。研究了热电制冷器的性能 并提出了优化方案。 关键词：量子密钥分配，单光子探测器，雪崩光电二极管，暗计数， 热电制冷 i l l a b s t r a c t s i n g l e p h o t o nd e t e c t o r s ( s p d s ) a r eak e yc o m p o n e n ti naq u a n t u m k e yd i s t r i b u t i o n ( q k d ) s y s t e m s of a r ，t h eb e s tc h o i c ei st h es e p a r a t e d a b s o r p t i o n a n dm u l t i p l i c a t i o ni n g a a s i n pa p di nc o m m u n i c a t i o n w a v e l e n g t h s ，e s p e c i a l l y t h e s e p a r a t e da b s o r p t i o n ，g r a d i n g ，a n d m u l t i p l i c a t i o n ( s a g m ) i n g a a s i n pa p d b e s i d e s ，t h e s ea p d sh a v et o o p e r a t eu n d e rt h eg e i g e rm o d eo p e r a t i o nt oe x p l o i tt h e i re x t r e m e s e n s i t i v i t y g e i g e rm o d eo p e r a t i o n c a nb e e f f i c i e n t l yr e a l i z e db y w o r k i n gi ng a t e d m o d e k e yw o r d s ：q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ( q k d ) ，s i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n ， a v a l a n c h ep h o t o d i o d e s ( a p d ) ，d a r kc o u n t s ，t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g i v ( 此框用于存档的学位论文贴学位论文答辩合格证明) 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下彳独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：孝酒据 日期：加d 了年j _ 月弓9 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：李塌新乙 日期：2 讶年3 - 月弓口e t 导师繇彩却步 导师签名：乏疹少驴髟 日期：- a o 矿年占月ye t 华亵瓣筵大学矮：l ：学彼论文 第一章绪论 本章介绍了量子保密通信中的单光子探测技术。阐述了单光予探测技 术在量子保密通信中的重要性和必要性；介绍了单光子探测器的现状及其 发展。最后分析了温度控制技术在单光子探测上的重要性。 1 1 单光子探测技术 在高速发展的信息时代，安全问题已经受到人们的广泛关注。于是人 们提出量子保密通信技术，量子保密通信是经典信息论和量子力学等知识 相结合的一门新兴的交叉学科，这项技术已成为国内外研究的热点。量子 保密通信基于一个重要的原理量子密钥分配，这个理论是由b e n n e t t ( 班 尼特) 和b r a s s a r d 在1 9 8 4 年提出的【i 】，在不安全的光线路中，它是一种通信 双方共享随机产生密码的加密技术。在量子密锈分配技术中，信息是以单 个光子的量子态进行编码的。从而，光子的基本量子特性确保通信的安全 性。以单光子为基础的量子密码术，已经证明是可以得到实际的应用了嘲。 这就是量子密钥分配( q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ) f 3 】1 4 f 辩，是量子密码术已 经得到成功应用的一类。这是一种依靠基本粒子的量子力学性质的通信技 术，是一种理论上可以证臻是绝对安全的保密通信技术嘲l 强。这种遴信技 术在常规光纤通信线路上的使用成功是量子理论进入信息科学领域的一个 显著标志i s 9 1 。 量子保密通信是以单光子作为信息载体，所以单光子探测技术是量子 保密通信的关键和核心技术。如何把单光予信号有效地检测出来，已经成 为国内外研究量子保密通信的主要课题之一。 在量子逶信系统中，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、密钥产生速率等重要性能指标。量子密 钥分配系统中的单光子探测器是能量探测，丽光子是缀子或者分子吸收或 者发射能量的基本单位。单光子是探测器能探测到的最低能量。一个光子 华袁卿簸犬学矮1 ：学链论义 的能量是非常小的，不足阿托焦耳( a t t oj o u l e ，l a j = l 1 0 8 j ) 在光通信 中最重要的两个波长1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的光子能量分别是0 。l5 2 6 a j 和 0 。1 2 8 l a j ，所以我们要选择具有内增益的光电探测器，可供选择的探测器有 光电倍增管( p m t ) 和雪崩光电二极管( a p d ) 。 在量子通信等革光子探测实验中，需要灵敏度好、探测效率高、低噪 声的单光子探测器。光电倍增管( p m t ) 在近红外波段的量子效率很低， 而硅雪崩光电二极管( s i a p d ) 在此波段的燕子效率高、增益大。光电倍 增管的倍增因子也很高，僵在红井波段灵敏度不高。用s i 阴极光电倍增管， 测量到的波长只能达到1 1 0 0 n m ，因此，从噪声特性和灵敏度两个因素考虑， 目前可供选择的只有雪崩光电二极管。即使光电转换率达到1 0 0 ，探测器 响应时闻l n s ，提取信号的负载电阻5 0 q 与传输线匹配，要在输出端褥到 o 5 m v 的信号，需要a p d 和前置放大器提供6 2 5 0 0 倍的放大。所以，即使用 s i 雪崩光电二极管，反偏压可以离达4 0 0 v ，也要采用工作于雪崩击穿电压 之上( 即盖格模式) ，需要抑制电路终止雪崩，以保护探测器不因雪崩击穿 而损坏。 在通信系统中，能测量到的最小信号出等效噪声功率来判断。髑电子 倍增放大信号的探测器，不论是光电倍增管中的二次发射电极还是光电二 极管中的雪崩过程，并不能区别电子的来源，光电子和热电子会得到相同 的放大。在雪崩光电二裰管中，单个载流子弓l 发的雪崩蠢穿不能通过阂值 鉴别区分它的起源是否来自光电子。因此，如果每次测量时间为l n s ，就 要求对每次测量统计平均，必须少于一个暗电子，这就要求探测器的暗电 流奎于1 6 0 p a 。 同步性也是单光子探测器不同于普通光子计数器的地方。量子信息的 量子态用波函数c p ( r ，f ) 表示，在制备量子态的时候，便确定了探测器的空间 范围，丽光子波包的宽度或极微弱光脉冲的长度便确定测量时间的范围。 利用到达时间差进行窃听也是量子攻防中关心的大事。因此，实现盖格模 式，采用f 了控技术是必须的，现在，已报道麴用于量子保密通信的可同步 2 肇态烬范天学矮：l ：学袋论文 控制半导体激光器输出的脉冲般在l o o p s 以下。考虑到各种时间抖动因 数以及电子器件的响应速度，探测器的门宽大约应在2 - - 3 n s ，同步精度应 达到5 0 0 p s 。常见的单光子计数器量子效率一般比较低，很少工作在光通 信波段上，而且它只需要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数， 就检测了光的强度。恧量子密钥分配系统中的探测器不仅要求光予计数， 而且是要达到i b i t p h o t o n 的量子信息，要对每个接受的光子脉冲进行判断， 系统的误码率是安全性的一个判据。在量子密钥分配系统中，工作在4 0 0 - l l o o n m 波段，以硅雪瘊二极管为基础的单光子探测器技术已经比较成熟， 世界上不少厂家已经推出了商用单光子探测模块，如p e r k i n e l m e r 、e g & g 公司等0 0 l 。丽在石英光纤的低损耗窗口1 31 0 n m 和l5 5 0 n m 波段，单光子 探测仍有许多研究工作。 1 2 单光子探测器的现状及其发展 对于可见光探测，光电倍增警有很好的响应度，暗电流也菲常夸， 很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上已经有了不少类 似的产品。然而随着人们对红外波段的光的研究不断深入，特别是近年来 量子通信技术，塞子密码术的研究不断弓| 起了各国的重视，对红井通信波 段( 8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ) 单光子探测器的研究也显著重要。但是， 光电倍增管在红钤波段灵敏度不高，且量子效率很低，仅这两点就排除了 它在红外通信波段的应用。即便在8 5 0 n m 波段，考虑到光电倍增管工作电 压很高和使用维护的复杂性，在实际应用中还是选用s i 。a p d 雪崩光电二 极管。国外已经有公司制造专门针对8 5 0 n m 单光子探测的商用s i a p d 。 在l l o o n m 以上，s i a p d 的探测效率很低。在1 3 l o n m 和1 5 5 0 n m 波段已 经不适合用s i a p d 进行单光子探测。目前，在这两个通信波段一般选用 i n g a a s i n pa p d ，但由于制造工艺的技术闯题，尽前还没有专f 1 针对单光 子探测的i n g a a s a p d 。国外对这两个波段的单光子探测的报道，般都 是利用现有针对光纤通信的商用a p d ，通过优化外围驱动电路，改善a p d 的工终环境，使其达到单光子探测的霾麴。当前，国内也已经有了不少科 3 华南师范人学硕：l ：学位论文 研院所正在对这两个波段的单光子探测器进行研究，为实现量子密钥分发 技术( q k d ) 的实用化而做准备。 超导单光子探测器几年前就被研究出来，其性能还有待改善t i l l 。由于 在极低温下( 2 4 k ) ，超导单光子探测器在本质上就有量子性质和低噪声的 优点。它的时间抖动很小( 大约3 0 p s ) ，能够工作在高的重复频率下( 在 g h z 数量级) ，但是量子效率受到限制。光敏作用面积小( 1 0 1 0 a m 2 ) ，且 需要大体积的低温恒温器。这些不利因素使得超导单光子探测器在许多单 光子应用中不切实际p 2 1 。 在超紧凑c m o s 型单光子探测器中，如i d l 0 1 型单光子探测器【l3 1 ，已 经将单光子探测器和雪崩抑制电路集成在一块微型电路芯片上，图1 给出 i d l 0 1 型单光子探测器的显微照片。它由一个直径为5 0 a m 的单光子雪崩 二极管( s p a d ) 和一个快速有源抑制电路组成。在芯片上面安装一个单级 热电制冷片用来改变s p a d 的工作温度。 图1 1i d l 0 1 型单光子探测器的显微照片 在单光子探测技术中，探测器将从本身的结构、材料和生产工艺进行 探索和提高j 设计出高探测效率、分辨率好、响应速度快、低噪声的专门 用于红外通信波段的单光子探测器。并且探测器朝着模块化方向发展。 1 3 温度控制技术在单光子探测上的应用 目前单光子探测器的量子效率仍然很低，影响单光子探测器的探测效 率的主要因素为暗计数。工作在盖革模式下雪崩二极管的噪声特性与其他 工作模式有不同的特点，不能通过阈值鉴别区分雪崩击穿的起源是由光电 子引起的还是由热电子引起的，光电子和热电子都会得到相同的放大。 4 譬游朗笾大学矮1 ：学缎论文 雪崩二极管( a p d ) 属于光伏探测器，而光伏探测器的主要噪声有光 生电流的散弹噪声、暗电流噪声和器件热噪声。其均方噪声电流为1 1 4 1 ： 孑：2 e l a f 十4 k t a f ( 1 1 ) ” 凡 式中：i 为流过p n 结的总电流，心为器件电阻。在反偏压工作的情况下，岛 很大，热噪声可忽略不计。因此在无光照的情况下，通过器件的电流只有 热激发暗电流，d 。在高偏压下，即当电场足够高时，暗电流的大小由带问 隧道电流决定。在一个均匀掺杂的耗尽区中，带闻隧穿电流可以表示为1 1 4 1 ： y i a e x p ( 一锄o “2 e 9 3 佗q h e , ) ( 1 2 ) 式中：m 。是自由电子质量，露窖是结区峰值电场，参数0 = c r ( m 。m o ) “2 ，取 决予隧道位垒的细致形状，这里嬲。是电子的有效质量，褥o t 1 。出予嚣。随 温度的升高而减小，所以隧道电流随温度升高而增加。 由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可以看出，无论在低偏压还是高偏压，暗电流都 跟a p 冷所处的环境温度有很大的关系。在常温下，暗电流较大，两探测的 单光子的能量非常小，就会被暗电流淹没。因此在常温下的单光子探测就 变得异常困难。蕊热激发暗电流的大小是随着温度的降低而减小。所以， 要改善a p d 莳探测性能，就必须降低a p d 的王作温度，放两降低噪声并同 时得到更高的倍增因子。因此，适当降低a p d 的工作温度、从而研究a p d 的暗电流、光电流和雪崩电压与温度的关系。确定a p d 最佳的工作温度、 最大限度地提高a p d 探测单光子的灵敏度翔效率，这就成了量子保密透信 中单光子探测这个环节的一个关键技术。 ，如何降低a p d 的工作温度，国内外的实验主要采用两种方法：充液氮 和利雳帕耳帖效应的半导体制冷。采用充液氮的方法方面使用不方便， 另； b a p d 的雪崩电压随温度降低而减小，在低于某一温度下a p d 的雪崩电 压就有可能小于a p d 的贯穿电压，此时a p d 的探测效率几乎为零1 1 5 1 。半导 体制冷是2 0 世纪5 0 年代末发展起来的制冷新技术，它具有制冷迅速、制冷 量连续可调、体积小、无噪声、无振动等优点。在零下3 00 c 至1 1 6 0 之间， 一些探测器有很好的单光子探测效果，热电制冷方式完全可以实现。基于 以上优点，本论文研究了半导体制冷的性质。 5 华裔瓣撼大学疆1 ：学位论交 温度控制技术是单光子探测的一个关键点，控温精度、温度稳定性和 响应度是温度控制技术的难点。由于a p d 的雪崩电压随温度的降低而减小， 为保证a p d 工作的稳定，必须还能使a p d 温度降低到一定值时能够保持不 变，即制冷器必须具有恒温功能，a p d 正常工作过程中温度变化最好能在 o 1 度以下。在实际工作中，我们是通过寻找a p d 暗电流、增益与温度的最 佳关系，确定合适的工作温度，调节温控电路使湿度恒定。 6 华露帮范大学矮1 ：学像论文 第二章量子通信中的单光子探测技术 量子通信的基本要素主要包括单光予源、量子编码与量子信息的传 输、以及单光子探溯技术。其中单光子探测技术环节中的单光子探测器要 求有很高的灵敏度，因为光探测器本质上是能量探测器，而光子是原子或 分子吸收或发射的基本单位，所以单光子的探测性能是至关重要的。单光 子探测技术已经戚为国内矫研究量子保密通信的重要课题之一。 2 1 常用光辐射探测器 从粒子的观点来看，光是幽光子组成的光子流，光子是静止质量为零， 有一定能量的粒子。与一定的频率v 相对应，一个光子的髓量可幽下式确 定； e p = h v = h c l( 2 1 ) 光流强度常用光功率表示，单色光的光功率与光子流量r ( 单位时闯 内通过某一截面的光子数目) 的关系为：p = r e p 。 光辐射探测器( p h o t o d e t e c t o r ) 是实现光电检测及各种光电技术的核 心部分。通过探测器将带有待测物理量信息的光辐射转换为电信号，供电 路及控制部分处理。常用的光辐射探测器主要分两类：热电探测器( t h e r m a l d e t e c t o r ) 和光电探测器( p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r ) 。 2 1 1 热电探测器 在热电探测器中，光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的 电物理量发生变化，反映的是入射光酶能量或功率与输出电量的醺数关系。 因为温度升高是一种积累的过程，与入射光子能量大小有关，所以探测器 对光谱的响应没有选择性，即从可见光到红外波段均可响应。 热毫探测器按其工俸原理大致可分为四类：辐射热电偶与热电堆、热 敏电阻、气动式热探测器和热释电探测器。 辐射热电偶与热电堆 热电探测器中最简单的楚小型辐j l 重热电偶，它是利用吸收光辐射酶材 料在热端与冷端存在温差电势，在回路中就有温差电流。热电偶的响应时 7 华露矮怒火学疆：l ：学位论文 间与热端建立的快慢有关，热端有较小的热容量，才能获得较短的响应时 间。 热敏电阻 它是利用某些固体材料的电阻率随温度变化导致负载电阻两端电压 变化而给出电信号的热敏类红外探测器。它是出负电阻温度系数的半导体 材料或歪温度系数的金属材料制成的。热敏电阻的主要特性参数是电阻温 度系数，由下式确定： 岱：三塑( 2 2 )岱= otz z ， p d t 式中：p 为材料的电阻率，t 为温度。 气动式热探测器 戈剩盒是灵敏度较高的气动式热探测器。从窗口入射进入密封盒的光 使盒内空气温度升高，进而使密封空气的压力增加。压力增加引起柔性薄 膜变形。柔性薄膜通常是由光学反射材料制成的。图2 1 示啦了戈利盒的结 构。采耀光栅可以提高戈利盒的灵敏度。戈剥盒的响应时闽较长，典型值 为1s 【1 6 】。 一 图2 1戈利盒的结构 夺热释毫探测器 热释电探测器由两个电极央上一层薄膜热释电材料制成，其一个或两 个电极是透明的，辐射通过透明电极入射至热释电材料膜层上。膜层厚度 小于1 0 m ，可减少热容，加快响应速度，隰值可达l o 瓣q 以上l 猢。热释 电探测器传感元件是铁电晶体，其分子作永久的电偶极子运动。当温度低 于居里温度嚣时，偶极子不完全是沿特定的晶体轴线排列的，因此材料作 网络偶极子运动，表面存储电荷。当铁电晶体被加热时，引起偶极予的不 8 华褒籁箍犬学磺1 ：学佼论文 规则排列，使偶极子运动减弱，即表面存储电荷减少，在外部电路中探测 的电流也相应减少。热释电探测器是一种交流响应或瞬时响应器件，对稳 定辐射不响应。 与光电探测器相比，热电探测器的特点是：探测度低；响应速度较慢； 具有宽广而平坦的光谱晌应；一般工作在室温条件下，使用方便。 在光纤传感器的应用中，将光子能量转换为热，由于改变物质温度需 要一定的时间，所以大部分热电探测器效率低下并且反应缓慢，不适合应 用于大部分的光予学领域。 2 1 2 光电探测器 光电探测器工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电 子的壹接作用。也就是物质内部电子在光予作用下产生激发，跃迂至高能 级丽产生自由载流子，这个过程也称为光电效应( p h o t o e f f e c t ) 。在外加电 场的作用下，这些载流子会发生定向移动产生一个可测量的宏观电流。在 光电探测器中，光吸收过程直接出某种光量子作用产生，光予探测器的输 出e l l 光量子的吸收率决定，丽不是由光量子的能量来决定。为了产生这种 光子吸收作用，光子能量需要具有某一最小值，这就是光子探测器对波长 响应的阑值特性。阕值波长是光子探测器吸收光子的最大工作波长，超过 这个波长的光对其不起作用。光电效应有两种形式：外光电效应( e x t e r n a l p h o t o e f f e c t ) 和内光电效应( i n t e r n a lp h o t o e f f e c t ) 。 重) 外光电效应( e x t e r n a lp h o t o e f f e c t ) 当光子能量大于材料的逸出功时，光辐射照射在某些金属、半导体材 料表面时，使材料内部的一些电子接受光子能量后脱离材料从表面逸出， 这种效应称力光电子发射效应，也称力外光电效应。利用这种效应制成的 探测器有光电管、光电倍增管和图象增强器。 光电管( p h o t o t u h e s ) 光电管宙光电阴极和阳极构成，它分真空型光电管和充气型光电管。 真空光电管内部抽成真空，它的光电阴极受光照而发射光电子，在电场的 作用下，光电子向阳极加速运动，由高电位的阳极接收，在回路中产生光 电流。光电流的大小主要取决子阴极的灵敏度与照射光强等因素。充气光 电管的阴极受光照产生光电发射后，光电子在电场作用下向阳极运动的过 9 譬露灏藏人学矮l ：学位论文 程中与气体原子碰撞而发生电离现象，在电离过程中产生新的电子与光电 子一起被阳极接收，正离子向反方向运动被阴极接收。因此，在回路内形 成经过电离放大的光电流，一般比真空光电管的光电流大几倍，但没有光 电倍增管的灵敏度高。 光电倍增管( p m t ，p h o t o m u l t i p l i e r ) 光电倍增管是利用井光电效应翻成的具有内增益的器佟，由光电阴 极、倍增极、阳极和真空管壳组成，如图2 2 所示。图中k 是光电阴极， d 1 ，d 2 和d 3 是倍增极，a 是阳极，u i 至u 4 是极问电压，称为分级电压， 为几百伏。及阴极到阳极，各级闻形成逐级递增煞加速电场。光电溺极有 不透明( 反射式) 和半透明( 透射式) 两种。光照射在光电阴极上，从光 电阴极激发出的光电子在电场u 1 的加速作用下，打在第个倍增极d 1 上， 出于光电子麓量很大，它打在倍增极上时会激发出数个二次光电子。在电 场u 2 的作用下，二次电子又打在第二个倍增极d 2 上，引起一次二次电子 发射。如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极a 收集。典型的光电倍增 管有1 0 个倍增极，每极之闻的电压为2 0 0 v - 4 0 0 v ，电流增益可达1 0 5 。 光电倍增管的上升时间可短至2 n s ，光电子通过倍增管级链的总迁移时间 为3 0 n s l l 6 。 圈2 2光电倍增管示惹豳 光电倍增管的光电阴极面，由光电效应将入射光转变成光电子。光电 倍增管的光电阴极面，通常由表面功函数低的碱金属为主要成分的材料， 或者出掺杂的p 型g a a s 、g a a s p 等l 珏一v 族半导体材料制成。另外，在这些 材料的表面覆盖c s ，o 层，以降低表面势垒，增加电子的逸出几率。光电倍 增管的波长灵敏度特性，由光电阴极材料的功函数决定，如图2 ，3 所示疆w 。 长波长侧的截止波长由光电阴极材料的功函数决定。当使用功函数最小的 l o 华露灏箍犬学矮： ：学位论文 材料时，可用来探测波长约为1 1 a n 的近红外领域的光。短波长侧的截止 波长取决于入射窗翻材料的透射特性。虽然光电倍增管的量子效率只有百 分之凡，但由于具有眈较大的二次电子倍增功髭，探测灵敏度很高。 裟l 队搬 图2 3 具有不鬻光电蘧酶电子倍增管灵敏度与波长的关系( 光电瑟透过型) 令图像增强器 图像增强器很少作为光电探测器应用于光纤传感领域，一般利用它可 增强输出图像亮度，使人能观察诸如二极管激光器发澎的红努光束。在第 一代图像增强器中，通常用简单的物镜在光电表面形成原始图像，通过电 子密度分布，光电阴极有效地再生光子图像。然后电子被加速并出一系列 静电透镜聚焦到荧光屏，用墨镜可观察到所产生豹可冤图像。来自电场的 电子增益能量可把红外光变换成可见光。第二代图像增强器，不仪具有电 子加速特性，还具有倍增功能，类似于光电倍增管的工作原理。微通道板 就是一种图像增强器。 ( ) 内光电效应( i n t e r n a lp h o t o e f f e c t ) 半导体材料吸收能量足够大的光予后，会使原先处于束缚状态的电子 或空穴转变为自出状态，从两使半导体的电导率增加，这种现象称为光电 导效应，是一种内光电效应。利用内光电效应制成的探测器又可分成光电 导型( p h o t o c o n d u c t i v e ：p c 型) 和光伏型( p h o t o v o l t a i e ：p v 型) 两种。 光电导型是利用光产生的载流子引起电导变化的原理丽制成的探测器；光 伏型是利用p n 结产生电流或电压的变化而制成的探测器。 夺光电导型探测器 光电导型探测器是利用本征半导体或者掺杂半导体在吸收光时所产 孥露髑藏人学颁l ：学位论文 生的电导变化来进行光的探测。半导体电导率用下式表示： c r o = e ( n , u # + p z ) ( 2 3 ) 式巾，e 为电子的电荷；n 和熊分别为导带电子密度和迁移率；p 和地 分别为价带空穴密度和迁移率。入射光将电子从价带激发到导带，则导电 电子和空穴的数量产生变化。假设由光吸收产生的电子和空穴数分别为 勘、劬，煲| j 由光吸收引起的电导率的交化a t y 为： 。 a o = e ( a n z 。+ 印地) ( 2 4 ) 则器件的电阻减小a r 。光入射孳| 起的电流变化越为： f = 丢一丽v ( _ ) 【v 百a r r ) ( 2 5 ) r 一衄火、一r 。 式中v 是加在探测器上的偏压，r 为无光照射时的电阻。 光电流岔的大小与光吸收所产生的电子空穴对的数瞄成比例，其值可 表示为： 。越邓喙) i g ( 2 6 ) 式中，i 为入射光的强度；r l 为量子效率；g 为光电导增益。在n 型半 导体中，设电场强度为e 时，则光电导增益g 为： g = e b u + 玩) 导 厂( g h ) ( 2 7 ) 式中， z ：, u h r _ h e，f ( z h ) ：l ： 一e x p ( 一土) ) l z h 光电导增益g 的大小和电子、空穴的迁移率以、胁，少数载流子寿 命f 、电极间距离l 以及偏压有关。 光照射将电子从价带激发到导带时，则a t = a p 。由这种机理产生的电 导变化称为本征光电导。本征光电导探测器件通常由p b s 、i n a s 、h g c d t e 等材料制成。在g e 、s i 等半导体中掺入i n 、g a 、b 、a s 等杂质时，则光 照射产生电子或者空穴跃迁，引起电导的变化。此时a n 雾a p ，由这种机理 产生的电导变化称为杂质光电导f 1 7 l 。在杂质光电导中，一般杂质能级处于 禁带宽度中，所以和本征光电导褶吃，在长波长侧也有响应，可用来探测 1 2 警瘸静蓬天学矮 ：学链论文 红外线到1 0 0 1 4 0 朋的远红外线。 光伏型探测器 当半导体材料吸收光子产生电子空穴对后，如果在产生光生载流子的 地方有势垒( 如p n 结) ，则靠势垒静电场的作用，电子漂移到p 区，空穴 漂移到n 区，于是有反向短路电流产生。这种现象称为光生伏特效应，简 称光伏效应，它也是一种内光电效应。光伏型探测器有p n 结光电二极管、 p i n 结光电二极管和雪崩光电二极管。 ( 1 ) 光电二极管 图2 4 ( a ) 、( b 分别给蹴半导体p n 结二极管的构造和能带。 蔽射防 入射毙 绱掏 1 1 1 1 f ”“” 毵缮嬲如 渤黪鼯 图2 4光电二极管的构造和能带 光照射在p n 结部位时，由于光吸收使电子由价带激发到导带，分别 在导带和价带生成电子和空穴。这些生成的电子和空穴，在p 珏结区域耗尽 层内存在的电场e 的作用下，分别向n 型区域和p 型区域移动。这时，如 果将p 型区域和n 型区域用外部电路将其短路，外部电路就有由这些载流 子产生的光电流。在p 型区域，同样也吸收光蓊产生载流子，其中在耗尽 层到少数载流子扩散长度三。的范围内生成的电子扩散到达耗尽层，参与光 电流的形成；另一方面，在比耗尽层更深的n 型半导体层中产生光吸收时， 在耗尽层至l 空穴扩散长度三。的范围内生成的空穴扩散到达耗尽层，参与光 1 3 檄 嗽， 魏、i h珏辑珏珏h”hhhl 胺 磁逡 华薅魉藏犬学矮+ l ：学位论文 电流的形成。由各种材料制成的光电二极管的灵敏度和波长的关系如图2 5 所示，在长波长侧的截止波长附近呈现峰值 1 7 1 。 萋 豢 蒸 缓莰 a m l 圈2 5各种光电二极管的灵敏度与波长的关系 在没有反向偏压的情况下，光电二极管的响应速度取决于p n 结的电 容量c 翻负载电阻r 的乘积，响疲时赫约为数微秒量级。在光透信中要求 响应速度快的场合，往往施加反向偏压。光通信用光电二极管一般采用p i n 结构，即在p 层和n 层间形成载流子密度高的光吸收层( i 层) ，如图2 6 所示鄹】。圈中所示的光电二极管的p 层是禁带宽度大的i n p 层，入射波长 为1 3 a n 或1 5 5 a n 的光不被i n p 层吸收而透射，尔后由因反向偏压而处于 耗尽状态的i n g a a s 层吸收。在i n g a a s 层内，由入射光产生的载流予被耗 尽层内的电场加速，载流子渡越时间短，响应速度为纳秒量级。另外，用 来作为光吸收的i n g a a s 层比较厚，可以得到8 0 以上的高量子效率。 1 4 肇薅髑落大学颈：l ：掌俊论文 图2 6 光通信h j ji n g a a sp i n 光电二极管的构造 ( 2 ) 雪崩光电二极管( a p d ， a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ) 光通信用盼另一种光探测器为雪麓光电二极管( a p p ) ，这是一种在 光电二极管上加雪崩电压增益而构成的具有载流子倍增性能的光探测器 【1 8 j 。在a p d 中施加反向偏压，使光吸收生成的载流子在高电场( 2 5 1 0 5 v c m ) 中加速，由碰撞电离使电子从价带激发剖导带( 离化) 。碰撞 电离产生的电子和空穴在电场的加速下，还可以连续不断地产生碰撞电离， 使载流子数目雪崩式地增加。在高电场中，载流子经过单位长度时引起的 碰撞电离次数称为离佬率。半导体中，电子的离纯率联和空穴的离纯率多酶 大小是不同的，掰与的比值是决定a p d 噪声及响应速度的最重要因素i l 7 1 。 2 。2a p d 单光子探测器 2 2 1 单光子探测器的选择 对单光子探测器的一般要求是：一、在与光子源匹配的频谱中有足够 高的灵敏度，使每接收一个光子能够有足够高的概率产生一次有效的计数； 二、噪声要低，即没有光子射入时所产生的暗计数率要小；三、反应及恢 复速度要快，即光子射入后能迅速形成计数脉冲，然厝迅速恢复至原来状 态，这样才能满足高通信码率的需要。从可见光到红磐波段，对予不同波 长的单光子探测采用了不同的探测器，这是因为大多数探测器仅在某一个 波长范围内有效，如图2 7 所示f 1 9 】。 簿 h o 嚣 o 褒 雌 o 番 号 2 0 04 0 06 髹m 1 0 0 01 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 01 8 w a v e l e n g t hl n m l 图2 7不嗣探测器件董予效率的比较 1 5 瓣蛳瓣粥黪摹瓣赣 华薅爆越大学矮。l ：学位论文 在单光子探测实验中，要求量子效率高、低噪音的单光子探测器。光 电倍增篱在近红外波段的量子效率很低，而硅雪崩光电二极管在此波段的 量子效率高、增益大。光电倍增管的倍增因子很高，但是在红矫波段灵敏 度不高。用s i 阴极光电倍增管，测量到的波长只能达到1lo o n m ，h a m a m a t s u r 5 5 0 9 采用新型的阴极材料，能达到1 6 0 0 r i m ，但是探测效率很低，并且要 求大约1 7 0 0 v 的工作电压。因此，跌嗓声特性和灵敏度两个因素考虑，雷 前最佳选择是雪崩光电二极管。表一是几种高灵敏度光电探测器的舆型数 据比较。 表一几种态灵敏度光电探测器的比较 探测器工作波段主要应用量子效率暗电流( a v ) ( n m )波段( n m ) s 1 p m t5 0 0 1 0 5 06 0 0 8 0 03 0 l o 。珏 1 2 0 0 v s i 。a p d3 5 0 1 1 0 06 0 0 8 0 08 5 10 8 4 0 0 v g e a p d5 0 0 18 2 0 1 3 1 0 ，1 5 0 0 7 5 10 。7 3 0 v i n g a a s a p d8 0 0 1 7 5 0 1 3 1 0 ，1 5 0 0 8 0 10 。8 5 0 v 目前，在红外通信波段，商用的雪崩光电二极管覆盖了从3 0 0 n m 到 1 7 0 0 n m 的光谱范围。光量子密钥分配需要性能很好的单光子探测器。在光 透信的红外波段，要达到缀高的探测灵敏度和很低的暗计数，合适的探测 器不多。在1 1 a n 至1 6 a n 波段，硅材料的雪崩光电二极管( s i a p d ) 的 探测效率很低0 5 1 。在l3 0 0a m 的波段，锗材料的雪崩光电二极管( g e 。a p d ) 被冷却到7 7 k 时，单光子的探测效率才百分之十凡。超过1 4 5 0n m 时，锗 材料的雪崩光电二极管的探测效率更明显降低，所以锗材料的雪崩光电二 极管也不适合1 5 5 0n m 波段的量子保密通信1 2 0 。到目前为止，在红外波段 的光通信中，较好的单光予探测器是宙分离、吸收、渐变、倍增分层结构 的雪崩光电二极管( s e p a r a t e da b s o r p t i o n ，g r a d i n ga n dm u l t i p l i c a t i o n a p d o rs a g m a p d ) 实现的。有人对1 5 5 0 n m 较高温度下利用g e a p d 和 i n g a a s i n pa p d 进行单光子探测的特性进行过晓较，发现在圆等模式下 g e a p d 的暗计数要远远高于i n g a a s i n pa p d l 2 1 1 。所以，从实际应用的角 度来看，i n g a a s i n pa p d 是1 5 5 0 n m 波长用于单光子探测的最佳选择。 2 。2 2s a g m - a p d 结构及工作原理 1 6 臻凌髑楚文学矮：羹学靛论文 目前商品化的a p d 器件大都采用i n p i n g a a s 材料，i n g a a s 作为吸收 层，i n p 在较高电场下( 大于5 x 1 0 5 w 锄) 丽不被击穿，可以作为增益区材料。 对于i n p i n g a a s 材料，a p d 的设计是雪崩过程由空穴碰撞焉在n 型i n p 中形成。由于i n p ( 1 3 5 e v ) 和i n g a a s ( 0 7 5 e v ) 的带隙差别较大，在i n g a a s 吸收层中产生的空穴，在到达i n p 倍增区之前在异质结边缘受到阻碍丽速 度大大减少，从褥导致a p d 的响应时闻长，带宽很窄。由此在两种材料 之间加i n g a a s p ( 带隙为o 9 6e v ) 过渡层来解决这个缺陷。图2 8 给出了 s a g m a p d 的结构示意图【2 2 1 。 弗l n g 叠 瓣 f 图2 8s a g m a p d 结构示意圈 a p d 基予内光电效应，利用内增益机制使光电流在探测器内部被放 大，这样就可以在外电路中获得更容易探测的电流信号。在a p d 上加一个 反向偏压，会使耗尽层中的电场大到足以使光生载流子进行碰撞电离获得 更多的鱼出载流子，麸瑟实现内增益。可是，这些器件在获得增益的同时 也引入了由于内增益而产生的噪声。a p d 获得增益的微观物理机制是碰撞 电离，当反偏压加高，载流子被加速，获得足够的能量就会产生碰撞电离。 a p d 工作原理可以用三个过程来概括：首先，a p d 吸收光子产生自出 载流子；其次，自由载流子在外电场作用下进行定向移动；最后，在倍增 区的强电场作用下，自由载流子获得足够的能量进行碰撞电离，从而产生 更多的叁由载流子获得高增益。内增益枫制大大提高了光电探测器件的灵 敏度。 进行红外通信波段的单光子探测，目前应用最多的是商用化的s a g m i n g a a s i n p a p d 。图2 9 给出了s a g mi n g a a s i n p a p d 的徽结构，笺带和 电场分布f 2 3 1 。 1 7 华南师范人学硕1 ：学位论文 ( b ) ( c ) 图2 9商用s a g m a p d 微结构、能带、电场分布示意图 它的基本结构是基于i n p 与i n g a a s 之间形成的一个异质结。倍增区 是i n p 的p n 结耗尽层，在足够高的反偏压工作条件下，i n p 层存在很强的 电场去诱导碰撞电离。p n 结的反偏压增大了耗尽层的宽度，因而提高了光 子被吸收而产生电子空穴对的概率，同时也减小了耗尽层的电容。长波长 ( o 9 5 m s 燧1 7 m ) 的入射光子从i n p 一侧射入，在窄带隙的i n g a a s 层被吸收，产生了光生载流子。正常工作的情况下，耗尽层从i n p 的p + n 结扩散到i n g a a s 层，这样，在i n g a a s 层中产生的光生载流子就会在电场 的作用下进行漂移。据相关研究表明【2 4 1 要获得较低的倍增噪声，应该由碰 撞电离系数大的载流子触发雪崩，对于i n p ，空穴具有较高的碰撞电离系 数【2 5 1 ，所以器件设计成i n p 的p + n 结形成倍增区，光生空穴被电场扫入倍 增区进行碰撞电离形成倍增。 由于宽带i n p 与窄带i n g a a s 之间的价带不连续性。这个不连续性阻 碍了空穴从窄带i n g a a s 向宽带i n p 的漂移，使得空穴在i n g a a s i n p 异质 结界面处积聚。为了增加空穴的漂移速率，在i n g a a s - 和i n p 之间加了一层 四元素材料i n g a a s p 作为缓冲层。这种四元素材料的带隙处于i n g a a s 和 i n p 之间，这种材料的加入缓冲了价带的不连续性，使得空穴能够更有效 的穿过这个势垒，增加了器件带宽。 要使i n g a a s i n pa p d 具有高量子效率和宽带宽，就必须使i n g a a s p 与i n g a a s 之间的异质结上存在电场，即耗尽层应扩展深入到吸收区，扩展 程度决定于异质结上的电场。该异质结上的电场强度对空穴漂移的概率和 速率有很大影响，由此影响器件的量子效率和带宽。该异质结上的电场对 1 8 华薅秘蓬大学矮：l ：学位论文 暗电流影响也很大；电场越高，i n g a a s 层的隧穿电流会很大。 i n g a a s 吸收层的隧穿电流密度由下式给出1 2 1 1 ： i a = y e x p ( 一0 m 0 1 2 s 2 3 理q 晦) ( 2 8 ) 式中，0 = a ( m + m o ) 2 。通常假设q l ，且： 罗= 2 魏，害窖) ( 9 3 e y 4 乃2 蠹2 ( 2 。9 ) m 宰为电子的有效隧穿质量，m o 是自豳电子质量，8 9 是i n g a a s 材料的 带隙，e l 是异质结上的电场强度，v 是i n g a a s 吸收层内耗尽层上的电压降， q 是基本电荷。 一般认为1 2 6 【2 7 1i n g a a s p i n g a a s 势垒上的电流密度应该小于 1 0 一a c m 2 。当电流密度高于此值时，由隧穿效应引起的暗电流将会很大， 严重影响器件的性能。因此，隧穿暗电流限制了异质结电场强度的上限。 掺杂密度、i n g a a s 吸收层的厚度以及异质结上的电场强度将决定i n g a a s 吸收层上的电场分布，由此也决定了该层上电压降的确切值。一般丽言， 厚度为3l lm 、掺杂约1 0 格c m q 的吸收层，异质结上的最大电场强度在 15 0 2 0 0 k v c m 。异质结上的电场强度也存在一个下限，在下限电场以下， 空穴漂移很慢，这会极大地削弱器件的带宽。该电场下限值不能直接确定， 因为该特性取决予异质结上价带的变形 2 6 1 泌l1 2 9 1 。 对于一个给定的i n g a a s i n pa p d ，首先确定在雪崩点p + n 结上的临界