光電探測器

? ? ? ?光電探測器是指在光輻射作用下將其非傳導(dǎo)電荷變?yōu)閭鲗?dǎo)電荷的一類器件。

? ?? 在電子學(xué)中，二極管是一種具有不對稱傳輸特性的雙端電子元件，在一個方向上對電流具有低(理想為零)電阻，在另一個方向上具有高(理想為無限)電阻。最常見的類型如半導(dǎo)體二極管，是用半導(dǎo)體材料(硅、硒、鍺等)制成的一種電子器件。它具有單向?qū)щ娦阅?#xff0c;即給二極管陽極和陰極加上一定的正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。因此，二極管的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于開關(guān)的接通與斷開。
? ? ? a.光電二極管是一種光電探測器，能夠根據(jù)工作模式將光轉(zhuǎn)換成電流或電壓。光電二極管與普通半導(dǎo)體二極管類似，只是它們可以暴露在外，可以通過窗口或光纖連接進(jìn)行封裝，從而使光到達(dá)器件的感光部分。許多專門用作光電二極管的二極管使用的是PIN結(jié)而不是p-n結(jié)，PIN結(jié)的二極管能夠提高響應(yīng)速度。

? ? ? b.雪崩光電二極管(APD)是一種高靈敏度的半導(dǎo)體電子設(shè)備，利用光電效應(yīng)(圖1)將光轉(zhuǎn)換為電。可以將APD視為通過雪崩倍增提供內(nèi)部第一級增益的光電探測器。通過施加高的反向偏置電壓，APD由于碰撞電離而出現(xiàn)出內(nèi)部電流增益效應(yīng)(雪崩效應(yīng))。通常，反向電壓越高，增益越高。對于APD，反向電壓始終低于擊穿電壓，并且APD的靈敏度不足以檢測單個光子。二極管的擊穿電壓是使二極管反向?qū)ǖ淖钚》聪螂妷骸?/p>圖1 光電效應(yīng)? ? ? ?c.單光子雪崩二極管(SPAD)(也稱為蓋革模式APD，光子計數(shù)器，SPAD或單光子探測器)是一類具有反向偏置p-n結(jié)的固態(tài)光電探測器，在其中光生載流子可以通過碰撞電離機(jī)制而觸發(fā)雪崩電流。SPAD能夠檢測低強(qiáng)度信號(低至單光子)。SPAD和APD之間的根本區(qū)別在于，SPAD專門設(shè)計為了在遠(yuǎn)高于擊穿電壓的反向偏置電壓下工作的一類產(chǎn)品(相反，APD在小于擊穿電壓的偏置電壓下工作)。

單光子探測器原理

? ? ? 圖2表示SPAD的I-V(電流-電壓)特性，并說明SPAD如何實現(xiàn)單光子探測，此模式也稱為蓋革模式。給SPAD加載使其處于擊穿態(tài)的偏置電壓V_Br，并處于亞穩(wěn)態(tài)(A點)。它將保持此狀態(tài)，直到產(chǎn)生主電荷載流子。在這種情況下，信號放大作用實際上變得無限大，即使只檢測到單光子也會引起雪崩效應(yīng)，從而出現(xiàn)宏觀電流脈沖(點A到B)，之后可以通過后端所設(shè)計的電子電路輕松的檢測到信號。該電路必須要限制流過器件的電流的值，以防止其破壞器件并能夠淬滅雪崩以使器件復(fù)位(點B到C)。一定時間后(死時間)，偏置電壓將恢復(fù)(C點到A點)，SPAD再次準(zhǔn)備檢測單個光子。擊穿電壓的實際值取決于半導(dǎo)體材料、器件結(jié)構(gòu)和溫度等因素。對于InGaAs / InP-APD來說，擊穿電壓通常約為50V。在蓋革模式下，APD的檢測效率以及噪聲都取決于所加的偏置電壓。圖2 SPAD的I-V特性曲線? ?? 偏置電壓的選擇，對于單光子探測器來說是尤為重要的，它制約著探測器的探測效率以及暗計數(shù)率等核心參數(shù)。選擇一個合適的偏置電壓能夠使得單光子探測器發(fā)揮出最優(yōu)異的性能。瑞士IDQ單光子探測器，旨在將偏置電壓與探測效率完美匹配，經(jīng)過多次的實驗論證，其單光子系列產(chǎn)品已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。? ? ? 西安立鼎光電科技有限公司是瑞士IDQ公司在中國區(qū)域的戰(zhàn)略合作伙伴，負(fù)責(zé)單光子系列產(chǎn)品在中國的市場推廣和技術(shù)支持，IDQ的單光子系列產(chǎn)品包含可見光單光子探測器、近紅外單光子探測器以及與光子計數(shù)有關(guān)的時間控制器，脈沖激光器等。

★ID100可見光單光子探測器★

? ◆350-900nm
? ◆一流的時間分辨率(40 ps)
? ◆低死區(qū)時間(45 ns)

? ◆常規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)和超低噪音等級
? ◆峰值探測效率在λ= 500 nm處可達(dá)35%

? ◆有效面積直徑為20μm或50μm
? ◆自由空間或光纖耦合

★ID Qube 紅外單光子探測器★

◆波長范圍900 – 1700nm

◆緊湊小體積(95 x 95 x 95 mm，1kg)

◆門控和自由運行兩種模式

◆超低暗計數(shù)(800 cps, 10%)

◆低抖動(150 ps)

◆探測效率可達(dá)25%@λ=1.55 μm (gated)

??20 %@λ=1.55 μm (free-running)

★ID230? 紅外單光子探測器★

◆波長范圍900 – 1700nm

◆一流的暗計數(shù)率
? ?在量子效率為10％<50 Hz
? ?在量子效率為20％時<100 Hz
◆可調(diào)量子效率高達(dá)25％
◆時間分辨率@25%<150ps
◆可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間從2μs到100μs
◆單模或多模光纖輸入

◆斯特林制冷

★ID900時間控制器★

◆時間標(biāo)記和直方圖
◆具有多重命中能力的延遲生成
◆模式生成
◆高速計數(shù)器
◆高精度鑒別器
◆4個輸入通道
◆4個輸出通道(NIM + LVTTL)
◆高分辨率模式：8 ps RMS (20 ps FWHM) 抖動和13 ps bin寬度
◆1 GHz計數(shù)器

應(yīng)用領(lǐng)域

◆量子密碼學(xué)
◆光纖表征
◆單光子源表征
◆電子電路故障分析
◆人眼安全激光測距(LIDAR)
◆光譜學(xué)，拉曼光譜學(xué)
◆單線態(tài)氧測量
◆光致發(fā)光
?◆熒光壽命測量

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總結(jié)

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