单光子探测器APD的低温控制系统的研制及其温度特性研究

摘要

量子通信是当今世界非常热门的一门前沿信息科学技术,实现量子通信将是人类通信技术领域的又一次革命.量子通信的基本要素主要包括单光子源、量子编码与量子信息的传输、单光子探测技术.其中单光子探测技术中的单光子探测器雪崩光电二极管(APD)又要求有很高的灵敏度,通过降低APD工作环境的温度可使它的暗电流噪声降低从而极大地提高单光子探测器的灵敏度,因此,对APD的低温控制系统的研制及对它的温度特性研究对研制单光子探测系统起到关键性作用而且也是必备的前沿工作.该毕业设计首先介绍了对单光子探测系统中的光探测器雪崩光电二极管进行降温及温度特性研究的现状和意义,然后针对单光子探测系统研制的要求及系统的特点,讨论了当今存在的几种制冷方案并重点介绍半导体制冷技术,并根据半导体制冷技术制作出控制精度可达0.1℃的温控仪和利用水循环散热的制冷腔,达到降低APD的工作环境温度的目的,为下一步实验提供良好的条件.其次介绍了雪崩光电二极管的内部结构、工作原理和表征它的性能的几项参数;最后为探讨APD的温度特性,在实验室搭建研究APD应用技术的实验平台,并通过实验探讨APD的温度特性,得出APD的雪崩电压、暗电流与温度的关系,光电流与温度的关系,等效噪声功率与温度的关系,并对所得结果进行分析讨论,从而对所采用的两个生产厂家的APD的性能进行比较,为下一步制作单光子探测系统中的光探测器的选择提供了依据.最后根据分析得到的APD的特性初步构造了无源抑制和门脉冲工作方式的单光子探测系统,同时对无源抑制的单光子探测系统进行了初步的实验.该文所进行的理论分析及实验结果分析都表明,雪崩光电二极管的各项性能参数都与温度有着极大的关系,说明了要提高雪崩光电二极管的探测灵敏度则必须降低它的工作温度但又不能无限降低,而是对每一个APD都存在一个最佳工作温度使得它的综合性能最佳.这对最终研制单光子探测系统有着关键的指导意义.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3本文所做的工作

第二章半导体制冷的原理

2.1对APD制冷的原因

2.2半导体制冷的应用优点及原理

2.2.1半导体制冷的优点

2.2.2半导体制冷的原理

2.3半导体制冷片的具体参数

2.4本章小结

第三章密封腔的制作及测试结果

3.1密封腔的制作

3.2密封腔的性能测试

3.3本章小结

第四章温控仪的制作及温控方案

4.1集成温度传感器AD590的选择

4.1.1热电偶

4.1.2电阻温度计

4.1.3集成温度传感器

4.2温控仪电路及其说明

4.2.1温度控制原理

4.2.2设计方案

4.2.3电路原理

4.3温控仪的调试

4.3.1数字电压表的调试

4.3.2 AD590测温电路0℃和100℃的调试

4.4温控仪的说明

4.5本章小结

第五章APD温度特性的研究

5.1光电探测器简介

5.1.1 PIN光电二极管

5.1.2雪崩光电二极管

5.1.3光电倍增管PMT

5.2雪崩光电二极管(APD)

5.2.1雪崩光电二极管工作原理

5.2.3雪崩光电二极管的性能参数

5.3实验选用的APD的类型及特性研究

5.3.1实验平台的构造

5.3.2 APD的特性研究

5.4 OKI.APD与飞通APD的特性比较

5.4.1暗电流及雪崩击穿电压值的比较

5.4.2灵敏度的比较

5.5本章小结

第六章单光子探测电路的初步设计

6.1单光子计数技术

6.2单光子探测的几种方式

6.2.1无源抑制方式

6.2.2门脉冲工作方式的有源抑制

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢