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第２６卷２００６年第６期 １１月 核电子学与探测技术 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ８Ｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＯ１．２６ Ｎｏ．６ ＮＯＶ． ２００６ 恒温控制下的硅雪崩光电二极管 单光子探测器的研制 韦 啸，杨 涛，彭承志，蔡文奇 （中国科学技术大学近代物理系，安徽合肥２３００２６） 摘要：介绍了一个基于工作在低温恒温系统中的硅雪崩二极管的单光子探测器的研制工作，详细 叙述了研制背景、系统结构、工作原理和测试结果。 关键词：单光子探测器（ＳＰＤ），ｌｉｔ雪崩二极管（ｓｉＡＰＤ）；半导冷；恒温系统 中图分类号：ＴＮ１５１；ＴＬ８１文献标识码：Ａ文章编号：０２５８—０９３４（２００６）０６—０１０１３—０４ ｌ 量子通信及量子光学试验中的单光 子探测器的作用 性纠缠的红色光子（ＥＰＲ对）。ＥＰＲ对具有良 好的时间符合，于是，当分别进入两个ＳＰＤ之 后将ＳＰＤ输出的信号送人符合门，就可测量出 单光子探测器（ＳＰＤ）的暗计数和探测效率 是两个最重要的参考指标。暗计数（Ｄａｒｋ ｃｏｕｎｔ）是指在没有光束送人ＳＰＤ的情况下， ＳＰＤ的本底计数。一般说，暗计数越低、时间 目前量子通信研究大量采用激光作为实验 光子中ＥＰＲ对的数目。 手段，单光子探测技术在这些实验中起着至为 关键的作用。单光子探测器（ＳＰＤ）的作用就是 探测携带量子信息的单光子，并转化为电信号 输出，从而通过符合测量等手段检测光子的纠 缠特性以及实现量子密钥分发等量子通信任 分辨越好、探测效率越高的ＳＰＤ工作效率最 务。在量子通信及量子光学试验中，要求单光 好。在符合测量中，如果一个单路ＳＰＤ的探测 子探测器具有较高的探测效率、低暗计数和很 效率为５Ｏ％，那么可以容易地得出二体符合的 稳定的性能。 效率为２５ ９／６，四体符合就只有６．２５ 。可见， 例如，在多光子纠缠的实验中，纠缠光子对 提高单路ＳＰＤ的探测效率是非常重要的。 是通过参量下转换过程来制备的。每一个 ＳＰＤ对一个光路的探测可以准确推算这个光 路的强度，但在实验中，更为重要的是通过对各 个光路的时间符合测量还可以探测这些光路之 间的相关程度。当一束紫色脉冲激光射到 ２硅雪崩光电二极管的工作原理简介 本文涉及的单光子探测器都是基于Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ公司的Ｃ３０９２１Ｓ硅光电雪崩二极管 （ＳｉＡＰＤ）设计的。在单光子探测中，ＳｉＡＰＤ工 ＢＧＯ晶体上，入射紫色光子会以一定的概率经 过参量下转换会劈裂为两个频率一样，量子特 作在盖革模式下，此时ＳｉＡＰＤ两端的偏压将大 于其雪崩电压。此时，单个光子由光纤引入撞 击ＳｉＡＰＤ，迅速发生光电转换，由于雪崩管二 极管反向偏置，光电效应所产生的小电流被雪 崩放大，产生较强的电流信号，从而可以实现对 单个光子的测量。 收稿日期：２００５—０６—２０ 基金项目：国家自然科学基金资助（１０３０４０１６） 作者简介：韦啸（１９７９一），男，云南昆明人，中国科 学技术大学硕士研究生，从事物理电子学、量子光学 的研究 选择硅材料的另一个原因是因为实验室产 生的ＥＰＲ对波长多为红光附近，典型的情况例 １ Ｏ］３ 维普资讯 http://www.cqvip.com
如：飞秒激光器产生的纠缠光子对，波长 可以看到，这个ＳｉＡＰＤ一次放电恢复时间大概 ７８８ｎｍ；亚离子激光器产生的波长为７０２ｎｍ的 在２Ｏ ｓ，这样将大大降低ＳＰＤ的探测频率。 纠缠光子对。图１所示，ＳｉＡＰＤ的波长一效率曲 单光子探测器ＳＰＤ一般工作在三种模式 线在红光７００－－－８００ ｒｌｍ基本处于峰值附近。 下，无源抑制、有源抑制和门模式。其中无源抑 制实现虽然简单，但是时间分辨率低；门模式虽 ／ ＼ 然工作稳定，效率高，但是其要求门信号与雪崩 星 糌 抑制模式。而猝灭电路正是一种工作性能良好 楚 ／ ＼ 信号同步，设计上繁冗复杂，所以我们选择有源 、 Ｉ 的有源抑制电路。 ’ 猝灭电路利用反馈环把ＳｉＡＰＤ雪崩产生 的信号迅速的反馈到ＳｉＡＰＤ两端的驱动电源 上，使其迅速拉低，从而就像刀切一样去除图２ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ ［０００ １１００ 所示的雪崩放电遗尾。 波长／ｎｍ 图１探测效率与光波波长曲线 ３．１猝灭电路的实现 猝灭电路如图３ａ。雪崩管Ｃ３０９２１Ｓ的常 ３猝火电路 温雪崩电压一般在２００Ｖ左右，高压Ｖａ由高压 ￣（Ｑｕｅｎｅｈ）电路的作用是为了减少由 模块提供。直流偏置的作用之一是使ＳｉＡＰＤ 于ＳｉＡＰＤ放电时间过长造成的死时间过长雪崩信号幅度标准化为２４Ｖ；二是控制ＳｉＡＰＤ 。 图２是实验中观测到的ＳｉＡＰＤ雪崩自由放电 的过载电压 （即ＳｉＡＰＤ两端电压与雪崩电 恢复曲线（示波器为Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ３０５２Ｂ）压之差）不大于直流偏置，如果 过大会烧坏 。 雪崩管，Ｃ３０９２１Ｓ的最大Ｖｏ为３６Ｖ。电路中使 用了４个ＭＯＳ管（型号：ＳＤ２１１）作为高速模拟 开关，它们的工作流程是这样的：在盖革模式 下，当光子射人ＳｉＡＰＤ，产生０－＇－－２４Ｖ的脉冲电 压ＰＵＬＳＥ，ＰＵＬＳＥ经过电阻分压为幅度Ｏ～ ２４０ｍＶ的信号进入高速比较器（型号： ＭＣ１０Ｅ１６５１），如果该信号大于比较器预设的 阈值（一般设为最大输入信号前沿的一半即 ‘ １２０ｍＶ），那么将会同时产生把常高的猝灭信 南 熏纛 嬲 黼蘸 窿 号拉低和将常低的恢复信号拉高，这样就形成 图２雪崩自由放电恢复曲线，无抑制电路 宽度可调得脉冲信号，如图３ｂ。 Ｖｃｃ 直流偏置， 高匿 ： ；： 一 ～ 。 童 。 … ．。… ——— ’ — — 图３猝灭电路原理图和抑制后的雪崩脉冲 ． … ． ３・２猝灭电路实验结果 猝灭电路 幅降低了 ＡＰＤ的死时间，实 １０１４ 维普资讯 http://www.cqvip.com
验中雪崩信号脉宽被调整为２００ｎｓ左右，如图 ３ｂ所示。比较器阈值的设定和雪崩脉冲脉宽 调整主要是防止猝灭电路中的Ａｆｔｅｒ－Ｐｕｌｓｅ现 ＳｉＡＰＤ的雪崩电压阈值；由图４，发现温度越 低，雪崩电压也越低，这样提供高压 的模块 就可以工作在比较低的电压，这有助于减小高 象，Ａｆｔｅｒ—Ｐｕｌｓｅ是由于一次雪崩放电时间长， 而猝灭已经完成，导致生成两个以上脉冲的现 象，实验中Ａｆｔｅ＞Ｐｕｌｓｅ现象被很好地控制在很 小的范围以内。可以看到，经过有源抑制以后， 压模块高压输出信号的纹波带来的干扰，从而 有利于单光子探测器工作的稳定。 第三，由于暗计数和雪崩电压对温度变化 敏感，给如何稳定ＳＰＤ的工作效率带来了困 难。发现ＳｉＡＰＤ的探测效率随着过载电压 的增长而增长，当 在１Ｏ～２２Ｖ之间增加时， 脉冲信号的死时间降低为原来的１／４ｏｏ左右， 而且输出信号稳定，幅度标准。 ４恒温控制系统 将ＳｉＡＰＤ置于低温恒温系统下，将大大改 善单光子探测器工作的稳定性和可靠性。ＳＰＤ 采用半导冷片与散热风扇作为降温手段， 由于单片的半导冷片难以降到一２Ｏ℃左 探测效率也随之增加１５ 左右；虽然从图５看 来探测效率几乎与工作温度无关，但是假设固 定工作高压，那么温度的跳动导致的雪崩电压 的跳动将直接导致 的跳动，这使得ＡＰＤ的 探测效率无法固定；此外，由于暗计数也随温度 的跳动而跳动，本底也无法准确估计。 综上所述，ＡＰＤ必须工作于恒温系统。 ４．２基于ＡＲＭ７单片机工作原理 右，所以采用了两片级联的方法降温，实验测试 最低可以降温到一３Ｏ℃以下。 ４．１对单光子探测器性能的改善 第一，随着温度的降低，ＳｉＡＰＤ的暗计数 制冷器件半导冷片的功率范围很大， 为０～３６Ｗ，而且功率大小直接决定它的制冷 能力，所以只要控制了半导冷片的供电，就 可以采用负反馈的方法抑制温度变化。基于 ＡＲＭ７内核单片机ＬＰＣ２１１４，低温恒温控制系 统工作原理如图５所示： 也逐渐下降。这是由于温度降低，导致光电效 应的阈值增加，使得能量较低的自然漏光雪崩 和ＳｉＡＰＤ的自雪崩的概率随之降低。图４为 实验测得的暗计数一温度、探测效率一温度和雪 崩电压一温度曲线（波长７０２ｎｍ红光）。 一 １ＩＡ 图５恒温系统原理 电源芯片ＭＡＸ７２４能输出０～５Ａ的电 流，输出幅度取决于连接它的参考电阻，所以利 用了一个由８个精密电阻组成的电阻串连网 温度，℃ 络，再配合８个数字开关有选择的将它们短路， 就可以实现８ｂｉｔ共２５６挡位的电压控制，电压 范围２．２～７．５Ｖ。温度传感器为铂电阻 Ｐｔｌ００，理想精度为０．１℃，信号通过一个１２位 串行总线ＡＤＣ（型号ＭＡＸ１８７ＣＰＡ）由ＳＰＩ总 线进入单片机ＬＰＣ２１１４读取，单片机将温度值 通过串口发送到ＰＣ机实时监控。 ４．３实验结果 １Ｏ１５ 图４暗计数、技探测效率和雪崩 电压一温度曲线 可以看到，随着温度降低到一２Ｏ℃下，暗计 数从０℃时的３８５０／ｓ降为３９０／ｓ。由于一般情 况下测量单路时ＳＰＤ计数都大于１Ｏ ／ｓ，所以 ３９０／ｓ的暗计数在可以允许的范围。 第二，除了降低暗计数，降温还可以降低 维普资讯 http://www.cqvip.com
在ＡＲＭ７单片机ＬＰＣ２１１４控制下，此系 统可以恒定在一２～－－３０℃，精度０。１℃的任何 温度，实验中使用－－２５℃为缺省温度设定，在这 温度下，ＭＣＵ每Ｓ向ＰＣ终端发送３次数据。 在－－２５℃附近，由系统１ｈ左右读出的共ｌｏ 个 数据得出的温度晃动显示，温度晃动小于０． ５℃（２４。６～２４．１℃），这晃动带来的暗计数晃 动小于４０／ｓ，过载电压Ｖ０晃动小于０．３Ｖ。 ５实验测试和实验结果 ５。１ ＮＩＭ脉冲输出 当系统产生一个Ｑｕｅｎｃｈ和ＲＥＳＥＴ信号 后，系统会通过ＥＣＬ逻辑Ｄ触发器ＭＣ１０Ｅ１３１ 产生一对差分信号，该信号经过ＮＩＭ调整形成 标准ＮＩＭ信号输出到计数器和符合门。 ５．２测试方法与最佳工作条件 对ＳＰＤ的测试内容主要是暗计数、对波长 ７０２和７８８ｎｍ下的单路计数率、符合计数率以 及最佳工作点。由于每个ＳｉＡＰＤ的雪崩电压 阈值不同，所以设定的工作电压以固定的过载 电压 为准。测试条件如下：最佳过载电压 Ｖｏ＝２０Ｖ，探测效率在同样温度下与 成正 比，所以 越高，探测效率越高，但是超过２０Ｖ 有可能导致过多的Ａｆｔｅｒ Ｐｕｌｓｅ。最佳工作温 度－－２５℃，温度越低，暗计数就越低，高压越稳 定，但是半导冷片在更低温度时工作无法 稳定，实验结果－－２５℃效果最好。 ５．３暗计数的测试 在上述最佳工作条件下，对出厂编号为 Ｓ１９１１、Ｓ１９２０、Ｓ１９３４、Ｓ１９２８４套硅雪崩二极管 （ＳｉＡＰＤ）Ｃ３０９２１Ｓ的暗计数测试结果依次为 ７００、６６０、３８０、２２０／ｓ。另外，所进行的符合暗计 数测量结果，１００ｓ以内计数不到１个，可忽略。 ５．４ ７０２ｎｍ波长红光探测效率的测试 在一２５℃下单路探测效率与符合探测效率 的测试结果如表１所示。 表１ ＳＰＤ对７０２ｒｉｍ红光探测效率 １０１６ 使用编号为Ｓ１９２０（雪崩电压１８１ Ｖ）和 Ｓ１９３４（雪崩电压１９０ Ｖ）在一２５℃下进行符合 探测效率测量结果是：符合计数率１２７０ ｓ＿。，理 论推算ＥＰＲ对数３８５０，探测效率３２。９ｇ。 可以看出，不同管子性能各不相同，基本上 同样温度下雪崩电压越低探测效率就越高，这 是由于硅材料雪崩二极管要求的生产工艺条件 极高，细微不同就导致实际探测效率的不同。 如表１，因为Ｓ１９２０和Ｓ１９３４的单路探测 效率分别为０．５７７和０．５２８，那么理论符合探 测效率就应该是二者之积为３Ｏ ，符合测量探 测效率结果一致，这说明，ＳＰＤ对单路的测量 是线性有效的。 ５。５ ７８８ｎｍ波长红光探测效率的测试 单路探测效率与符合探澳０效率的测试结果 如下。 使用编号为Ｓ１９１１（雪崩电压１７７Ｖ）和 ￥１９３４（雪崩电压１９０ Ｖ）在～２５℃下进行单路 探＇狈０效率测量结果是：计数率依次为８６７１０、 ５３８００ ｓ一，理论推算光子数依次为１２１６００、 ７８３００，探测效率依次为７１．３ 、６８．７ｇ。 使用编号为￥１９１１（雪崩电压ｌ７７Ｖ）和 ￥１９３４（雪崩电压１９０ Ｖ）在～２５。Ｃ下进行符合 探测效率测量结果是：符合计数率３６３９ｓ～，理 论推算ＥＰＲ对数７３２９，探测效率４９．７ 。 由图１可以看出，（ＳｉＡＰＤ）Ｃ３０９２１Ｓ在 ８００ｎｍ左右的探测效率明显高于７００ｎｍ，这与 实验结果是符合的。 因为￥１９１１和Ｓ１９３４的单路探测效率分 别为０．７１３和０．６８７，那么理论符合探测效率 就应该是二者之积为４９ ，基本符合测量结 果，这说明，ＳＰＤ对７８８ｎｍ单路的测量也是线 性有效的。 ６结论 从测试结果来看，恒温控制下的硅雪崩光 电二极管单光子探测器（ＳＰＤ）工作稳定，暗计 数低，探测效率能够满足实验要求。 （下转第１０００页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｏｎ ｐａｇｅ ｌＯＯＯ） 维普资讯 http://www.cqvip.com
容器组充电完毕后需要对示波器重新设置，对 实验的安全性和可靠性产生影响。所以，在以 后的实验中，将把示波器置于法拉第盒中，金属 盒与同轴电缆屏蔽线、探测线圈屏蔽套筒相连 并接地，对整个探测采集系统实施屏蔽保护作 用。 在用积分加权程序对ｄＢ／ｄｔ波形处理过 程中，会产生误差，这是实验误差的主要来源， 特分析如下： １）适当增大骨架直径，同时减小绕线自身 直径；建立辅助的探测线圈采集面积校正系统。 ２）采用更为实用的积分算法对转换程序进 行改进。 ３）引入补偿线圈对探针线圈予以校正＿ｌ６］。 参考文献： １－１］彭涛，等．脉冲强磁场发展技术［Ｊ］．核技术，２００３。 ２６（３）：１８５． １）探测线圈有效截面积Ｓ的折算。在波 ［２］宋玉刚，等．脉冲磁场和脉冲磁场测量仪口］．矿业， １９９５，４（３）：７２． 形转换过程中，Ｓ近似由骨架截面积代替，即取 线圈采集面积为Ｓ＝Ｎ￣ｒ（Ｄ／２） ，由此就忽略了 ［３］石磊，等．法拉第磁光效应法测量强脉冲磁场ＥＪ］． 应用激光，２０００，２０（１）：７． 线圈本身对Ｄ值的影响，同时骨架本身及线圈 绕制的过程中也存在误差。 ２）积分算法造成的误差。在用积分程序对 ［４］李大明．磁场的测量［Ｍ］．北京：机械工业出版社， １９９３． ［５］Ｓａｒｎａｒ Ｊａｎａ，ｅｔ ａ１．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ 波形进行积分运算时，采用Ｊ，（￡）ｄｔ＝Ｅｆ（ｉ）Ａｔ 算法。这种算法过于简化，误差在所难免。 ３）线圈接头及其引出线部分造成的漏磁通 进一步给有效截面积Ｓ的折算带来偏差。 针对上述主要误差源，以后的实验过程中， 拟采取以下措施予以校正： ｐｕｌｓｅｄ ｈｉｇｈ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，２１４：２３４． ［６］Ｅｃｋｅｒｔ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｉｃｋ－ｕｐ ｃｏｉｌｓ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅｄ ｆｉｅｌｄｒｎａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａ Ｂ，２００１，２９４：７０５． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ＤＩＮＧ Ｗｅｉ，ＰＥＮＧ Ｔａｏ，ＧＵ Ｃｈｅｎｇ－ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃ Ｅｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ，Ｗｕｈａｎ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖ．４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｓｉｍｐｌｙ，ａｎｄ ａ ｐｉｃｋ－ｕｐ ｃｏｉｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｍａｄｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｐｒｉｍａｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ｐｉｃｋ－ｕｐ ｃｏｉｌ （上接第１０１６页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ ｐａｇｅ １０１６） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ ＳｉＡＰＤ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ＷＥＩ Ｘｉａｏ，ＹＡＮＧ Ｔａｏ，ＰＥＮＧ Ｃｈｅｎｇ－ｚｈｉ，ＣＡＩ Ｗｅｎ－ｑｉ （Ｄｅｐｔ ｏｆ Ｍｏｄｅｍ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＵＳＴＣ，Ｈｅｆｅｉ ０ｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖ．２３００２６。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＳＰＤ）ｔｈａｔ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ａ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ＳＰＤ＆Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ：ａｎｄ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＰＤ：ＳｉＡＰＤ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ １０００
