高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

张海燕; 汪琳莉; 吴琛怡; 王煜蓉; 杨雷; 潘海峰; 刘巧莉; 郭霞; 汤凯; 张忠萍; 吴光

doi:10.7498/aps.69.20191875

摘要

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件, 在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用. 然而, 由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感, 因此在外场环境下工作时容易出现增益波动, 继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移, 严重降低了探测器的时间稳定性. 本文发展了一种稳定输出延时的方法, 采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管, 使其处于恒定温度, 并实时补偿由环境温度引起的延时漂移, 实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测. 实验中, 环境温度从16 ℃变化到36 ℃, 雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃, 经过延时补偿, 雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps, 时间稳定度达到0.15 ps@100 s. 这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.

关键词:

Abstract

Avalanche photodiode single-photon detector is one of the ultra-sensitivity photoelectric detector, which has important applications in the fields of long-distance laser ranging, laser imaging, and quantum communication. However, due to the high temperature sensitivity of the avalanche voltage, the avalanche photodiode single-photon detector is prone to fluctuation of the avalanche gain when it works in the field environment, which leads to the delay drift and seriously reduces the time stability. In this paper, we proposed a method of stabilizing the delay of the single-photon detector. An embedded system was used to control avalanche photodiode at constant low temperature and compensate the delay drift of the detection circuit caused by the change of environment temperature in real time. A high time stability avalanche photodiode single-photon detector was realized by this method. In the experiment, the environment temperature changed from 16 ℃ to 36 ℃, and the avalanche photodiode was controlled at 15 ℃. After compensation, the delay drift of the avalanche photodiode single-photon detector was within ±1 ps, and the time deviation was 0.15 ps@100 s. This work is expected to provide an effective solution for the application of high-stability single-photon detector in the field and space environment.

Keywords:

作者及机构信息

1.
华东师范大学, 精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海　200062

2.
北京邮电大学, 电子工程学院, 北京　100876

3.
中国科学院, 上海天文台, 上海　200030

通信作者: 吴光, gwu@phy.ecnu.edu.cn

基金项目: 国家级-国家自然科学基金(11774095，11804099)

Authors and contacts

1.
State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China

2.
School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

3.
Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China

Corresponding author: Wu Guang, gwu@phy.ecnu.edu.cn

文章全文

参考文献

[1]	Ren M, Gu X R, Liang Y, Kong W B, Wu E, Wu G, Zeng H P 2011 Opt. Express 19 13497 Google Scholar
[2]	张忠萍, 张海峰, 吴志波, 李朴, 孟文东, 陈菊平, 庞毓 2014 中国激光 41 s108005-1 Zhang Z P, Zhang H F, Wu Z B, Li P, Meng W D, Chen J P, Pang Y 2014 Chinese J.Lasers 41 s108005-1
[3]	孟文东, 汤凯, 邓华荣, 李朴, 张海峰, 吴志波, 张忠萍 2015 光学学报 35 s112006 Meng W D, Tang K, Deng H R, Li P, Zhang H F, Wu Z B, Zhang Z P 2015 Acta Opt.Sin. 35 s112006
[4]	Zheng T X, Shen G Y, Li Z H, Yang L, Zhang H Y, Wu E, Wu G 2019 Photonics Res. 7 1381 Google Scholar
[5]	Du B C, Wang Y, Wu E, Chen X L, Wu G 2018 Opt. Commun. 426 89 Google Scholar
[6]	Li Z H, Wu E, Pang C K, Du B C, Tao Y L, Peng H, Zeng H P, Wu G 2017 Opt. Express 25 10189 Google Scholar
[7]	Meng W D, Zhang H F, Huang P C, Wang J, Zhang Z P, Liao Y, Ye Y, Hu W, Wang Y M, Chen W Z, Yang F M, Prochazka I 2013 Adv. Space Res. 49 80
[8]	Warburton R E, McCarthy A, Wallace A M, Hernandez-Marin S, Buller G S 2007 Opt. Lett. 32 2266 Google Scholar
[9]	Hadfield R H 2009 Nat. Photonics 3 696 Google Scholar
[10]	Kong H J, Kim T H, Jo S E, Oh M S 2011 Opt. Express 19 19323 Google Scholar
[11]	Gariepy G, Tonolini F, Henderson R, Leach J, Faccio D 2016 Nat. Photonics 10 23 Google Scholar
[12]	孟文东, 张海峰, 邓华荣, 汤凯, 吴志波, 王煜蓉, 吴光, 张忠萍, 陈欣扬 2020 物理学报 69 019502 Meng W D, Zhang H F, Deng H R, Tang K, Wu Z B, Wang Y R, Wu G, Zhang Z P, Yang X Y 2020 Acta Phys. Sin. 69 019502
[13]	冯金垣, 陈红娟, 李丽秀, 龚雯 2006 光学技术 32 237 Google Scholar Feng J Y, Chen H J, Li L X, Gong W 2006 Opt. Techn. 32 237 Google Scholar
[14]	亓少帅, 张天舒, 付毅宾, 王欢雪, 吕立慧 2016 量子电子学报 3 81 Qi S S, Zhang T S, Fu Y B, Wang H X, Lü L H 2016 Chinese J. Quantum Elect. 3 81
[15]	ProchazkaI, Kodet J, Blazej J 2013 Rev. Sci. Instrum. 84 046107 Google Scholar
[16]	Prochazka I, Kodet J, Eckl J, Blazej J 2017 Rev. Sci. Instrum. 88 106105 Google Scholar
[17]	Prochazka I, Blazej J, Kodet J 2018 Rev. Sci. Instrum. 89 056106 Google Scholar
[18]	Paulus T J 1985 IEEE Trans.Nucl.Sci. 32 1242 Google Scholar
[19]	Hansang L 2014 IEEE Trans.Nucl.Sci. 61 2351 Google Scholar
[20]	Jhee Y, Campbell J, Ferguson J, Dentai A, Holden W 1986 IEEE J. QuantumElect. 22 753

施引文献

图 1 APD单光子探测电路原理图, 插图为盖革模式Si APD器件半导体结构

Fig. 1. Schematic of APD single-photon detection circuit, in which the illustration is the semiconductor structure of the Geiger-mode Si APD.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 (a) 雪崩脉冲上升沿波形; (b)雪崩脉冲幅度均值随偏置电压变化曲线; (c) APD单光子探测器时间抖动

Fig. 2. (a) The waveform of the rising edge of the avalanche pulse; (b) the curve of the mean amplitude of the avalanche pulses with the bias voltage; (c) the time jitter of the APD single-photon detector.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 基于FPGA板卡的温度控制和偏压补偿示意图

Fig. 3. Schematic of temperature control and bias voltage compensation based on the FPGA board.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 输出延时随Si APD偏置电压变化曲线

Fig. 4. The curve of the detection delay with the bias voltage of the Si APD.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 环境温度为16 ℃-36 ℃所对应的延时漂移　(a)偏置电压补偿前后延时漂移; (b)偏置电压补偿后延时漂移

Fig. 5. The delay drift as a function of the environment temperature from 16 ℃ to 36 ℃: (a) The delay drift before and after the compensation by the bias voltage; (b) the delay drift after the compensation by the bias voltage.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 偏置电压补偿前后, APD单光子探测器的时间稳定度对比图

Fig. 6. Comparison diagram of time deviation of the APD single-photon detector before and after the compensation by the bias voltage.

下载: 全尺寸图片幻灯片

[1]	Ren M, Gu X R, Liang Y, Kong W B, Wu E, Wu G, Zeng H P 2011 Opt. Express 19 13497 Google Scholar
[2]	张忠萍, 张海峰, 吴志波, 李朴, 孟文东, 陈菊平, 庞毓 2014 中国激光 41 s108005-1 Zhang Z P, Zhang H F, Wu Z B, Li P, Meng W D, Chen J P, Pang Y 2014 Chinese J.Lasers 41 s108005-1
[3]	孟文东, 汤凯, 邓华荣, 李朴, 张海峰, 吴志波, 张忠萍 2015 光学学报 35 s112006 Meng W D, Tang K, Deng H R, Li P, Zhang H F, Wu Z B, Zhang Z P 2015 Acta Opt.Sin. 35 s112006
[4]	Zheng T X, Shen G Y, Li Z H, Yang L, Zhang H Y, Wu E, Wu G 2019 Photonics Res. 7 1381 Google Scholar
[5]	Du B C, Wang Y, Wu E, Chen X L, Wu G 2018 Opt. Commun. 426 89 Google Scholar
[6]	Li Z H, Wu E, Pang C K, Du B C, Tao Y L, Peng H, Zeng H P, Wu G 2017 Opt. Express 25 10189 Google Scholar
[7]	Meng W D, Zhang H F, Huang P C, Wang J, Zhang Z P, Liao Y, Ye Y, Hu W, Wang Y M, Chen W Z, Yang F M, Prochazka I 2013 Adv. Space Res. 49 80
[8]	Warburton R E, McCarthy A, Wallace A M, Hernandez-Marin S, Buller G S 2007 Opt. Lett. 32 2266 Google Scholar
[9]	Hadfield R H 2009 Nat. Photonics 3 696 Google Scholar
[10]	Kong H J, Kim T H, Jo S E, Oh M S 2011 Opt. Express 19 19323 Google Scholar
[11]	Gariepy G, Tonolini F, Henderson R, Leach J, Faccio D 2016 Nat. Photonics 10 23 Google Scholar
[12]	孟文东, 张海峰, 邓华荣, 汤凯, 吴志波, 王煜蓉, 吴光, 张忠萍, 陈欣扬 2020 物理学报 69 019502 Meng W D, Zhang H F, Deng H R, Tang K, Wu Z B, Wang Y R, Wu G, Zhang Z P, Yang X Y 2020 Acta Phys. Sin. 69 019502
[13]	冯金垣, 陈红娟, 李丽秀, 龚雯 2006 光学技术 32 237 Google Scholar Feng J Y, Chen H J, Li L X, Gong W 2006 Opt. Techn. 32 237 Google Scholar
[14]	亓少帅, 张天舒, 付毅宾, 王欢雪, 吕立慧 2016 量子电子学报 3 81 Qi S S, Zhang T S, Fu Y B, Wang H X, Lü L H 2016 Chinese J. Quantum Elect. 3 81
[15]	ProchazkaI, Kodet J, Blazej J 2013 Rev. Sci. Instrum. 84 046107 Google Scholar
[16]	Prochazka I, Kodet J, Eckl J, Blazej J 2017 Rev. Sci. Instrum. 88 106105 Google Scholar
[17]	Prochazka I, Blazej J, Kodet J 2018 Rev. Sci. Instrum. 89 056106 Google Scholar
[18]	Paulus T J 1985 IEEE Trans.Nucl.Sci. 32 1242 Google Scholar
[19]	Hansang L 2014 IEEE Trans.Nucl.Sci. 61 2351 Google Scholar
[20]	Jhee Y, Campbell J, Ferguson J, Dentai A, Holden W 1986 IEEE J. QuantumElect. 22 753

[1]	沈姗姗, 顾国华, 陈钱, 何睿清, 曹青青. 时空域联合编码扩频单光子计数成像方法. 物理学报, 2023, 72(2): 024202. doi: 10.7498/aps.72.20221438
[2]	赵华良, 彭红玲, 周旭彦, 张建心, 牛博文, 尚肖, 王天财, 曹澎. InP衬底上的双载流子倍增雪崩光电二极管结构设计. 物理学报, 2023, 72(19): 198502. doi: 10.7498/aps.72.20230885
[3]	陈奇, 戴越, 李飞燕, 张彪, 李昊辰, 谭静柔, 汪潇涵, 何广龙, 费越, 王昊, 张蜡宝, 康琳, 陈健, 吴培亨. 5—10 µm波段超导单光子探测器设计与研制. 物理学报, 2022, 71(24): 248502. doi: 10.7498/aps.71.20221594
[4]	王傲霜, 肖清泉, 陈豪, 何安娜, 秦铭哲, 谢泉. Mg₂Si/Si雪崩光电二极管的设计与模拟. 物理学报, 2021, 70(10): 108501. doi: 10.7498/aps.70.20201923
[5]	吴琛怡, 汪琳莉, 施皓天, 王煜蓉, 潘海峰, 李召辉, 吴光. 百微米精度的单光子测距. 物理学报, 2021, 70(17): 174201. doi: 10.7498/aps.70.20210184
[6]	韩冬, 孙飞阳, 鲁继远, 宋福明, 徐跃. 采用多晶硅场板降低单光子雪崩二极管探测器暗计数. 物理学报, 2020, 69(14): 148501. doi: 10.7498/aps.69.20200523
[7]	孟文东, 张海峰, 邓华荣, 汤凯, 吴志波, 王煜蓉, 吴光, 张忠萍, 陈欣扬. 基于1.06 μm波长的空间合作目标及碎片高精度激光测距试验. 物理学报, 2020, 69(1): 019502. doi: 10.7498/aps.69.20191299
[8]	肖文波, 刘伟庆, 吴华明, 张华明. 太阳电池单二极管模型中的参数提取方法. 物理学报, 2018, 67(19): 198801. doi: 10.7498/aps.67.20181024
[9]	李天信, 翁钱春, 鹿建, 夏辉, 安正华, 陈张海, 陈平平, 陆卫. 量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射. 物理学报, 2018, 67(22): 227301. doi: 10.7498/aps.67.20182049
[10]	薛明晰, 陈志斌, 王伟明, 欧阳慧泉, 刘先红, 宋岩, 张超, 肖文健, 侯章亚. 多波长红外激光二极管峰值光谱热漂移研究. 物理学报, 2014, 63(15): 154206. doi: 10.7498/aps.63.154206
[11]	孙海峰, 谢楷, 李小平, 方海燕, 刘秀平, 傅灵忠, 孙海建, 薛梦凡. 高稳定度X射线脉冲星信号模拟. 物理学报, 2013, 62(10): 109701. doi: 10.7498/aps.62.109701
[12]	莫秋燕, 赵彦立. 光通信用雪崩光电二极管(APD)频率响应特性研究. 物理学报, 2011, 60(7): 072902. doi: 10.7498/aps.60.072902
[13]	程楠, 黄刚锋, 王金东, 魏正军, 郭健平, 廖常俊, 刘颂豪. 同轴电缆反射方案单光子探测器的特性研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5338-5344. doi: 10.7498/aps.59.5338
[14]	王金东, 吴祖恒, 张兵, 魏正军, 廖常俊, 刘颂豪. 用于红外单光子探测的雪崩光电二极管传输线抑制电路模型的理论分析. 物理学报, 2008, 57(9): 5620-5626. doi: 10.7498/aps.57.5620
[15]	孙志斌, 马海强, 雷鸣, 杨捍东, 吴令安, 翟光杰, 冯稷. 近红外单光子探测器. 物理学报, 2007, 56(10): 5790-5795. doi: 10.7498/aps.56.5790
[16]	陈杰, 黎遥, 吴光, 曾和平. 偏振稳定控制下的量子密钥分发. 物理学报, 2007, 56(9): 5243-5247. doi: 10.7498/aps.56.5243
[17]	孙可煦, 江少恩, 易荣清, 崔延莉, 丁永坤, 刘慎业. X射线二极管时间特性研究. 物理学报, 2006, 55(1): 68-75. doi: 10.7498/aps.55.68
[18]	吴光, 周春源, 陈修亮, 韩晓红, 曾和平. 长距离长期稳定的量子密钥分发系统. 物理学报, 2005, 54(8): 3622-3626. doi: 10.7498/aps.54.3622
[19]	罗毅, 郭文平, 邵嘉平, 胡卉, 韩彦军, 薛松, 汪莱, 孙长征, 郝智彪. GaN基蓝光发光二极管的波长稳定性研究. 物理学报, 2004, 53(8): 2720-2723. doi: 10.7498/aps.53.2720
[20]	杨玉芬. 双异质结双漂移区InP/InGaAsP/InP微波雪崩二极管的设想. 物理学报, 1981, 30(6): 794-801. doi: 10.7498/aps.30.794

计量

文章访问数: 14013
PDF下载量: 333
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板

高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器