单光子探测器及其发展

单光子探测器及其发展摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD）中图分类号：TP21.14文献标识码：A一、引言单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。二、单光子探测器的原理及种类单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]：（1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；（2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区；（4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。Vh为鉴别电平，用它来把高于Vh的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。1、光电倍增管（PMT）单光子探测器光电倍增管是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成。其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极并产生二次电子发射，二次电子又在电场的作用下被加速打到下一级打拿极产生更多的二次电子，随着打拿极的增加，二次电子的数目也得到倍增，最后由光电阳极接收并产生电流或者电压输出信号。当可见光的辐射光功率低于1.0×10-12～1.0×10-14时，光电倍增管的光电阴极上产生的光电流不再是连续的，这样，在光电倍增管的输出端就有离散的数字脉冲信号输出。当有一个光子信号打到光电阴极上，就会产生一定数量的光电子。这些光电子在电场的作用下，经过打拿极倍增，在输出端就有相应的电脉冲输出。输出端电脉冲的数目与光子数成正比，对这些电脉冲进行计数也就能够相应地确定光子的数目。光电倍增管单光子探测器主要采用的是一种逐个记录单光电子产生的脉冲数目的探测技术。这种探测器主要由光电倍增管、制冷系统、宽带放大器、比较器、计数器组成。光电倍增管是整个系统的基础，单光子信号经过光电倍增管，把光子信号转换为电信号。在这过程中，要避免噪声把有用信号湮没。光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏，因此选择合适的光电倍增管是非常关键的。单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下降时间。影响光电倍增管单光子探测的一个重要因素就是光电倍增管的暗电流，尽管暗电流的成因很复杂，但一般认为光电倍增管的暗电流主要来源于光电倍增管阴极和第一发射极的热电子发射，即热噪声，因此降低热噪声是提高光电倍增管光子计数率的关键。对于金属来说热发射电流密度j为[2]：j=(1)式中，W—金属热发射的逸出功；T—温度；e—电子的电荷；m—电子的质量；k—玻尔兹曼常数；h—普朗克常数。本征半导体的热发射电流密度为：j=(2)式中，ＥA—电子亲和能；EG—禁带宽度。在掺杂半导体中，热发射来源于杂质能级，热发射电流密度公式为：(3)式中，EF—从价带顶算起的费米能级；n0—杂质浓度。由式(1)~(3)可以看出，要降低热发射噪声，必须降低环境温度。同时，对于掺杂半导体来说，热发射噪声还与半导体的掺杂浓度有关，通常由于掺杂浓度不同，同一种型号的光电倍增管的热发射电流也是不同的。因此在选择光电倍增管时要先对其进行测试，选择适合自己要求的管子。由于光电倍增管不仅在单光子探测领域，而且在其它的光电检测领域也有很广泛的应用，因此有不少的国家和企业投入了大量的人力和物力进行研究。PMT具有高的增益（104～107）、大光敏面积、低噪声等效功率（NEP）等优点；但是它体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅能够工作在UV和可见光谱范围内，抗外部磁场能力较差。2、雪崩光电二极管（APD）单光子探测器雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩光电二极度管工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时（材料不同，电场大小也不一样，如：Si-APD为105V/cm），耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。外加电压的变化会使倍增因子发生较大的变化，倍增因子M的经验公式为：M=1/[1-（V/VB）n]（4）式中，VB—APD的雪崩电压。式中的n因子与PN结低掺杂边是N型还是P型有关，且与入射波长有关。理论上，当APD的工作电压趋近于雪崩电压时，M将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩值时，M到1000左右就会饱和，这样的倍增还不足以探测到单光子信号。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。当有光子信号到达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被切断，并使APD恢复到接收光子的状态。通常采取的方式有：无源抑制和有源抑制。一种简单的无源抑制工作方式的工作原理图如图2[3]：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2(b)。其中虚线框中的部分为APD的等效电路，Rd为APD的电阻(一般为几百欧姆到几千欧姆不等)，VA为APD的雪崩电压，Cd为APD的结电容，CS为分布电容。当没有光子到达时，相当于开关K断开，APD处于等待状态，Cd和Cs被充电；当有光子到达时，APD发生雪崩，相当于图2(b)图中的K闭合，此时APD处于接收光子状态，Cd和Cs通过Rd和Rs放电。当Cs和Cd两端电压等于雪崩抑制电压Vq时，雪崩停止，一般认为Vq近似等于VA。此时VB通过RL给Cd和Cs充电，恢复到接收光子状态。无源抑制电路虽然简单，但是却限制了光子的计数率。由上面的分析可知，雪崩光电二极管有一个“猝灭时间”和恢复时间，而这个时间主要是由RL、Rd、Cs、Cd决定。由于RL必须很大才能够使APD猝灭，这样就使恢复时间增大。这个时间一般为几百纳秒，时间分辨率至多为400ps。有源抑制可以大大地提高APD的计数性能。在过去几年的发展中，已经有部分产品商品化。有源抑制的响应时间主要是受晶体管开关的限制，而不是受R和C的限制，从而大大地降低了猝灭时间，提高了时间分辨率。这种死时间已降低到了50ns，时间分辨率高达20ns。目前应用的APD主要有三种，即Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同的波长。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD则在900nm～1700nm。对于光谱响应重叠的部分，InGaAs-APD具有更低的噪声和更高的频率响应特性，因而价格也是最高的。Ge-APD则处于两者之间。用Si-APD制作的单光子探测器已经逐渐趋于成熟，国外一些半导体公司（如美国的EG&G公司）已经有产品在出售。在国外，光通信三个波段（即850nm、1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统已经有了相关的报道。在国内，中科院物理所与中国科大（北京）研究生院合作，成功地制作了850nm波长的单光子探测器，并在850nm的单模光纤中完成了1.１km的量子密码通信演示性实验。但在1310nm和1550nm波段的红外单光子探测国内还未见报道。总的来说，比起国外目前的水平，我国在单光子探测领域还有较大差距。APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点，但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。3、真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器[5]针对PMT和APD的缺点，研究者开发出一种真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大光敏区面积的半导体硅APD组成。光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上，产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再打到APD上。对于硅APD，这些光电子的能量约为硅带隙能量的2000倍，这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可以达到106倍（2000×500）。VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，具有许多PMT和APD无法比拟的优点。其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。这种单光子探测器的出现，对人们探索高技术领域将起到积极的推动作用。三、单光子探测器的现状及其发展对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。然而随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。然而，在这个波段光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排除了它在红外通信波段的应用。即便在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光电二极管。现在对Si的研究已经趋于成熟，Si－APD也已经有了比较好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm单光子探测的商用Si-APD。而在1310nm和1550nm波段，Si-APD已经不能用于进行单光子探测了，因此在这两个波段一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的问题，目前还没有专门针对单光子探测的InGaAs-APD。国外对这两个波段的单光子探测的报道，一般都是关于利用现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路，改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。目前，国内也已经有了不少科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（QKD）的实用化而做准备。四、小结单光子探测领域的研究已经取得了很大的成就，但这还是不能够满足人们对高科技领域探索的需求。人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究，一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器，另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。参考文献：[1]R.G.W.Brown,R.Jones,etal.CharacterizationofSiliconAvalanchePhotodiodesforPho