基于APD门模式的单光子探测器的性能分析

以InGaAsP／InP雪崩光电二极管(APD)为核心器件的红外单光子探测技术,在量子信息技术领域的广泛应用,使其成为近年的研究热点。根据InGaAsP／InP APD在红外通信波段实现单光子探洲的要求和特点,通过APD的门控电路和实验结果分析,探讨了门模式下各种参数与暗计敷率、量子效率、量子误码率、信号传输速率之间的关系,为门模参敷的选择提供依据。结果表明：偏置电压的大小、门

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基于 A D门模式的单光子探测器的性能分析 P艾青万钧力罗海月 三峡大学电气信息学院湖北宜昌 430 40 2摘要： hG A P n以 a s￣ P雪崩光电二极管(P ) A D为核心器件的红外单光子探测技术，在量子信息技术领域的广泛应用， 使其成为近年的研究热点。根据 IG A P n P n a s￣ PA D在红外通信波段实现单光子探洲的要求和特点，通过 A D的门控电 P 路和实验结果分析，讨了门模式下各种参数与暗计敷率、探量子效率、量子误码率、信号传输速率之间的关系，门模参为敷的选择提供依据。结果表明：偏置电压的大小、门脉冲宽度和周期的选择，对提高探测器性能起着关键的作用。 关t词：单光子探测雪崩光电二极管门模式

误码率、量子传输码率与门控抑制脉冲的关系，给出门模参数的i择依据。发1 AP - D单光子探测原理,

圈 1门控抑电路 图中，是门脉冲发生器，是耦合电容，是 AP R D负。

载 R是偏置电阻， A D的内部等效电阻为 R, 若 P等效电容为。

A D是利用载流子碰撞电离的雪崩效应产生电子倍增的 P-

则抑制时间和恢复时间，可近似表示为：: c+ 般 R|c。

t', tl其雪崩过程是一个复杂的随机过程，￣通常用平均雪崩釉艴 船 胀利用3.

() 2

() 3

以下公式表示：

门模参数与探

1=

() 1

￣ K 'Q D系统中， E仅用 A D的量子效率和响应度， P还不能

式中，是与器件结构有关的常数。市售的 I a/ P n AP n G IA D正常工作时( 的倍增因子一般为 1 4, P R 0~ 0如此低的增益是不足以捕捉到单个光子信号的。若 A D的偏置电压 P设置为等于或稍高于击穿电压 V时， b即所谓的“革，盖，模式，理论上雪崩倍增因子 M为无穷大，光生载流子通过碰撞电离引发雪崩而得到很高的增益(到达 l5∞,宏观可可 o一l形成

很好反映单光子探测器的性能，应引进以下参数：暗计数率、量子误码率 Q E B R和信号传输速率等。对于门控模式，门脉冲幅度、门脉冲宽度和周期以及雪崩击穿电压 V. b贯穿电压、常偏压和过偏压 l等参数都将影响探测系统的探测性能。, 3 门参

数与暗计数 . 1模 在单光子探测器中，暗计数尸主要分为三类：引起 d第一类

测的电脉冲。2雷崩抑制与门控 .

是由热噪声引起的随机热噪声电流；第二类是由隧道效应引起的隧穿电流；第三类是由 A D材料缺陷中心俘获载流子再释 P

在盖革模式下，为了避免长时间雪崩造成 A D的永久击 P

放引起的后脉冲效应。暗计数可经以下步骤测出：遮挡光子源，

穿和减小噪声，必须将 A D两端电压迅速降低到击穿电压 P以下来抑制雪崩，该时间称为抑制时间。为了探测下个光子信号，P A D两端电压又必须重新恢复到击穿电压，所用的时间

门脉冲以频率 f送出，在计数时间内测定暗计数的数目Ⅳ。 d暗计数给出如下： , V () 4

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