光子計(jì)數(shù)技術(shù).ppt

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1、光子計(jì)數(shù)器1光子計(jì)數(shù)器1概述2光電倍增管及偏置電路與接地方式3光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲4光子計(jì)數(shù)器中的放大器5光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的上限6光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器7光電倍增管的單光子響應(yīng)峰8光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)——最佳偏壓的選擇2一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)利用弱光照射下光電探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其微弱的信號(hào)識(shí)別并提取出來。單光子計(jì)數(shù)探測(cè)技術(shù)是一種極微弱光探測(cè)法。它所探測(cè)的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測(cè)器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測(cè)方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號(hào)提取出來。1概述3單光子探測(cè)技

2、術(shù)應(yīng)用：高分辨率的光譜測(cè)量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測(cè)、精密分析、大氣測(cè)污、生物發(fā)光、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)光、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域。單光子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位，成為各國光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。4這種技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：●測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較??；●消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測(cè)量結(jié)果的信噪比；●有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)；●輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。5二、單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多種，光電倍增管（

3、PMT）、雪崩光電二極管（APD）、增強(qiáng)型光電二極管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）真空光電二極管（VAPD）61.光電倍增管（PMT）單光子探測(cè)器單光子探測(cè)需要的光電倍增管要求增益高、暗電流小、噪聲低、時(shí)間分辨率高、量子效率高、較小的上升和下降時(shí)間。特點(diǎn)：具有高的增益（104～107）；大光敏面積；低噪聲等效功率（NEP）；體積龐大、量子效率低下、反向偏壓高；僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)；抗外部磁場(chǎng)能力較差。72、雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管不同于光電倍增管，它是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管

4、具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個(gè)光子可以產(chǎn)生10~100對(duì)光生電子空穴對(duì)，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。8目前應(yīng)用的APD主要有三種，即Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它們分別對(duì)應(yīng)不同的波長。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD則在900nm～1700nm。已經(jīng)有了相關(guān)的報(bào)道：在光通信三個(gè)波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測(cè)器用于量子密鑰系統(tǒng)。9APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)。但是

5、同時(shí)也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。103、真空雪崩光電二極管（VAPD）針對(duì)PMT和APD的缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測(cè)器，它是由光陰極和一個(gè)具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號(hào)打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場(chǎng)的作用下加速，然后再打到APD上。對(duì)于硅APD，這些光電子的能量約為硅禁帶能量的2000倍，這樣一個(gè)光電子就能產(chǎn)生大于2000對(duì)的電子空穴對(duì)。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍

6、。11VAPD單光子探測(cè)器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許多PMT和APD無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高、抗磁干擾能力強(qiáng)、探測(cè)光譜范圍寬等特點(diǎn)。12三、單光子探測(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展對(duì)于可見光探測(cè)，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有了不少類似的產(chǎn)品。隨著人們對(duì)紅外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對(duì)紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）單光子探測(cè)器的研究尤為迫切。光電倍增管卻顯得無能為力，即使

7、是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了光電倍增管在紅外通信波段的應(yīng)用。13在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管?，F(xiàn)在對(duì)Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si-APD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對(duì)850nm單光子探測(cè)的商用Si-APD。在1310nm和1550nm波段，Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測(cè)了，一般選用InGaAs-APD，但由于制造工藝的問題，目前還沒有專門針對(duì)單光子探測(cè)的商用InGaAs

8、-APD。目前對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對(duì)光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動(dòng)電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探