高效率硅单光子雪崩二级管探测系统的研究

摘要

信息科学按照“摩尔定律”高速发展了数十年进入21世纪后，由于传统技术的物理局限性，正面临着新的挑战。为了突破发展瓶颈，量子信息技术利用量子态作为信息单元，可以突破经典信息系统的极限，将信息科学推向更广阔的发展空间。量子信息技术最重要的基础就是量子纠缠，目前利用多光子纠缠技术已经成功实现八光子纠缠态的制备。然而提高光子的收集效率是多光子纠缠技术中需要迫切解决的问题。作为多光子纠缠技术中核心器件之一——单光子探测器，其探测效率的高低对收集效率起着决定性的作用。
　　常用的单光子探测器有光电信增管(PMT)，基于超导体材料的超导纳米线探测器(SNSPD)和工作于盖革模式的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器。PMT的量子效率低，难以满足高效率探测器的需求;SNSPD需要复杂的制冷系统，成本高而实用性差。SPAD是全固态结构的探测器，结构较为简单、易于集成且量子效率高，几乎是实用化量子信息系统的唯一选择。对比基于Si的可见光波段SPAD探测器和基于InGaAs/InP的通信波段SPAD探测器，Si-SPAD探测器有着较高的量子效率。然而真正实现高探测效率的性能，在探测系统的各个模块上都有严格的要求。技术应用上的难点主要在于前端淬灭电路有足够高的过压以及后端雪崩信号提取电路对背景噪声有足够强的抑制。因此，对高效率Si-SPAD探测系统的研究对于多光子纠缠态制备乃至整个量子信息技术都有重要的意义。
　　论文的研究工作分为以下几个部分:
　　(1)理解雪崩光电二极管(APD)的工作原理。APD是SPAD探测器的核心元件，对APD工作原理的理解可以将SPAD探测器外部表现出的性能与内部的物理机制联系在一起，从而为作者研究高性能的SPAD探测器奠定基础。
　　(2)调研提高SPAD探测器性能的技术手段和具体实施的技术方案。针对高效率Si-SPAD探测系统的研究，分析技术方案实施的难点。SPAD探测系统的关键技术包含APD半导体工艺技术和电子学系统技术。通过调研了解到，贯穿型厚结Si-APD和门控淬灭技术是实现高效率单光子探测器设计的有效方案，而产生高速高压的门控信号和雪崩信号的提取是技术应用的难点。
　　(3)制定高效率Si-SPAD探测系统的设计方案并实现各个模块的功能。通过探测系统的总体设计，可以更深入的研究高效率Si-SPAD探测系统各模块的功能以及提高探测性能的有效途径。通过对技术应用难点的突破，可以更深入的掌握设计高效率Si-SPAD探测器的技术路线，为以后的研究工作积累经验。
　　(4)搭建测试平台、测试作者研制的单光子探测系统并将测试结果与同类型探测器的性能作对比，展示作者对高效率Si-SPAD探测系统研究工作的成果。利用测试的数据，进一步研究探测器的总体性能和系统各模块性能的对应关系;通过性能对比，论证了作者研究方法和路线的正确性。
　　在课题研究中，做出的创新工作和取得的创新成果有:
　　(1)研制出了探测效率高达74.5％的Si-SPAD探测器，比目前多光子纠缠实验中使用的商用探测器提高6％左右。对于十光子纠缠态制备，可以提高大约79％的收集效率。
　　(2)利用射频功率放大技术，成功设计出高线性度的射频功率放大器，将原始信号放大36dB左右，输出功率达到38dBm。射频放大后产生的门控信号有效的提高了Si-SPAD探测器的探测效率。
　　(3)将正弦滤波技术应用于高效率Si-SPAD探测系统的研制，有效抑制了因APD对门控信号微分而产生的背景噪声，成功提取了微弱的雪崩信号。滤波抑制比高达55dB。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 单光子探测器主要性能指标

1．3 单光子探测器分类及性能对比

1．3．1 光电倍增管

1．3．2 超导单光子探测器

1．3．3 单光子雪崩二极管探测器

1．4 研究方向和意义

1．5 本章小结

第2章 SPAD探测系统关键技术

2．1 提高SPAD探测器性能的技术手段

2．2 APD及其工艺技术

2．2．1 APD分类和性能参数

2．2．2 APD工艺技术

2．3 电子学系统关键技术

2．3．1 雪崩淬灭技术

2．3．2 雪崩信号提取技术

2．4 技术应用难点

2．5 本章小结

第3章 高效率Si-SPAD探测器系统设计

3．1 设计指标

3．2．1 APD的选型

3．2．2 电子学系统设计方案

3．3 系统的总体结构

3．4 系统的功能实现

3．4．1 前端淬灭电路

3．4．2 APD耦合电路

3．4．3 后端读出电路

3．4．4 校准电路

3．5 探测器封装结构设计

3．6 本章小结

第4章 高效率Si-SPAD探测器测试系统和测试结果

4．1 测试平台和测试方案

4．1．1 测试平台的系统结构

4．1．2 单光子的制备

4．1．3 性能测试方案

4．2 电子学测试结果

4．2．1 门控电路部分测试

4．2．2 读出电子学部分测

4．3 探测器性能测试结果

4．3．1 暗计数和探测效率测试

4．3．2 后脉冲测试

4．3．3 时间分辨率测试

4．3．4 饱和计数率测试

4．4 与同类型Si-SPAD探测器的性能比较

4．5 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 论文总结

5．2 对未来工作的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果