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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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