InGaAs/InP單光子探測器的研制

劉 云,李 源,徐煥銀,李風雨,馬 偉,曹德良,朱向冰

(1.安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002；2.安徽問天量子科技股份有限公司,安徽 蕪湖 241000；3.安徽省量子安全工程研究中心,安徽 蕪湖 241000)

1 引 言

單光子探測器是量子密鑰分配(QKD)系統中的重要器件[1-4],國內已經有文獻報道了相關的研究[5-9],但是目前國產單光子探測器還是依賴進口元件,為保障國家重點領域信息數據的安全,單光子探測器需要完全國產化。

本文基于國產元器件研制了紅外單光子探測器,使用InGaAs/InP雪崩二極管作為核心元件,采用半導體制冷片控制雪崩二極管的溫度,在雪崩二極管上施加合適的偏置電壓,使用門控電路切換雪崩二極管的工作狀態,通過小信號處理電路提取雪崩信號,實驗表明本文研制的單光子探測器的探測效率、暗計數率和后脈沖等主要參數都能達到量子密鑰分配系統的要求。

2 系統硬件

本文采用國產元器件,設計的紅外單光子探測器系統如圖1所示,主要包括雪崩二極管、單片機模塊、溫控模塊、偏置電壓模塊、門控信號模塊和小信號處理模塊。

常見的雪崩二極管有Si和InGaAs/InP兩種類型,本文需要探測1550 nm的光子,滿足該波長要求的雪崩二極管主要是InGaAs/InP型。本探測器的核心器件采用某型國產的InGaAs/InP雪崩二極管,該雪崩二極管工作波長在950～1650 nm,可工作在線性模式和蓋革模式下。

為了抑制雪崩二極管的暗電流和暗計數,需要使雪崩二極管工作在較低的溫度環境下[10]。本文通過溫控模塊控制雪崩二極管的溫度。

在雪崩二極管工作時需要在陰極加載偏置電壓,由于器件的差異,相同溫度下,不同二極管的雪崩電壓是不一樣的,導致偏置電壓也不同。當雪崩二極管工作在蓋革模式下,通過改變偏壓,可以改變探測器的探測效率[5]。偏置電壓模塊為雪崩二極管提供偏置電壓。

持續工作在蓋革模式下容易導致雪崩二極管損壞,本文采用門控信號來使雪崩二極管迅速進入和脫離蓋革模式。當正偏置電壓與門控信號模塊產生的負電壓之差略大于雪崩電壓時,雪崩二極管工作在蓋革模式,光子入射到雪崩二極管上,二極管發生雪崩,產生雪崩信號；當電壓差小于雪崩電壓,二極管迅速脫離蓋革模式,即便有光子入射到二極管上也不會產生雪崩現象。

當發生雪崩時,輸出的微弱的雪崩信號將會湮沒在尖峰噪聲中[11],本文設計一種小信號處理模塊,有效濾除尖峰噪聲,提取雪崩信號,實現雪崩信號的鑒別探測。

單片機模塊控制其他模塊并進行通訊。

2.1 單片機模塊

單片機模塊選用的是GD32F103RET6型國產ARM單片機,封裝為LQFP64,有51個I/O口[12]。在本文中該芯片工作頻率為108 MHz,采用外置的8 MHz晶振,完全滿足設計要求。

單片機模塊給偏置電壓模塊發送參考信號。單片機接收溫控模塊發送的溫度數據,經過運算后,發送數字信號給溫控模塊。小信號處理模塊需要一個可調的參考電壓,由單片機通過DAC提供給小信號處理模塊。

圖1 單光子探測器結構框圖Fig.1 Schematic diagram of single photon detector

2.2 溫控模塊

溫控模塊包括熱敏電阻、A/D轉換器、D/A轉換器、PWM控制器和熱電制冷器。其中熱電制冷器、熱敏電阻和雪崩二極管放在密封盒中,密封盒可起到絕熱、密封的作用,以便于控制雪崩二極管的溫度。單片機通過熱敏電阻和A/D轉換器得到雪崩二極管的溫度；通過D/A轉換器和PWM控制器驅動熱電制冷器。

選用兼容國外LT3845芯片的國產某型PWM控制器,選用兼容國外ADS8509I芯片的國產某型A/D轉換器。測量表明在室溫條件下,密封盒內部最低溫度可達-50 ℃,控制精度為±0.1 ℃。

2.3 偏置電壓模塊

對偏置電壓模塊的要求是輸出電壓穩定、連續可調、紋波小、噪聲低,設計的偏置電壓模塊如圖2所示。采用國產JS3580芯片作為boost轉換器,該芯片具有2 A的內部電源開關,并且開關頻率可調。低壓精密運算放大器采用國產的SX061XHR芯片,失調電壓僅為6 mV。設計的直流偏置電壓在26.5～75.0 V內可調,電路具有較低的溫漂,輸出偏置電壓很穩定。

圖2 偏置電壓電路Fig.2 Bias voltage circuit

2.4 門控信號模塊

門控信號產生電路如圖3(a)所示,輸入信號為100 MHz的脈沖信號,脈沖信號通過D觸發器形成1 ns的窄脈沖信號,再通過射頻功率放大器反向放大,輸出的門控信號幅度范圍在-4～-6 V,脈寬為1.5 ns,施加到雪崩二極管的陽極。圖3(b)為門控電路產生的輸出信號,其中橫坐標每格1 ns,縱坐標每格1 V,脈沖幅度-4.9 V。

圖3 門控信號產生電路及產生的窄脈沖信號Fig.3 Gated signal generating circuit and narrow pulse waveform

2.5 小信號處理模塊

雪崩二極管具有結電容,當門信號加到雪崩二極管上時,雪崩二極管會對門信號產生微分效應,形成尖峰噪聲,雪崩二極管輸出的雪崩信號僅有毫伏級,微弱的雪崩信號將會湮沒在尖峰噪聲中[13]。為了提取雪崩信號,本文提出了一種雙雪崩二極管的差分降噪方案,電路框圖如圖4所示。

本文選用同批次的兩個國產雪崩二極管,保證了結電容特性盡可能一致,即產生近乎相同的尖峰噪聲；兩個雪崩二極管上同時輸入門信號,只有一個雪崩二極管接收光子,接收光子的雪崩二極管上輸出尖峰噪聲和雪崩信號,另外一個只輸出尖峰噪聲,將兩路信號通過差分電路濾除尖峰噪聲,隨后進行小信號放大,小信號放大電路輸出如圖5所示,其中橫坐標每格5 ns,縱坐標每格200 mV,脈沖幅度約為200 mV的是噪聲,大于700 mV的為雪崩信號。由于兩路信號的路徑不完全一致,導致尖峰噪聲并不能被完全濾除,但此時的雪崩信號已明顯區別于噪聲信號,最后通過比較甄別電路,設置閾值提取雪崩信號,整形輸出TTL電平信號至后端的計數器進行計數。

圖4 小信號處理模塊Fig.4 Small signal processing module

圖5 小信號放大電路輸出Fig.5 Output of small signal amplifier circuit

3 系統軟件設計

根據系統的功能要求,單片機需要對時鐘、ADC、DAC、串口、看門狗、定時器進行初始化,通過ADC、DAC控制溫度,通過DAC發出參考信號給偏置電壓模塊和小信號處理模塊,進行串口通訊。

相應的軟件也分為幾個部分:初始化模塊、串口通訊模塊、定時器中斷處理程序,在定時器中斷處理程序中控制溫度和產生參考信號。上電以后,單片機內部的RC振蕩器作為時鐘源,立即運行初始化模塊,讀取FLASH存儲的內容,依據這些內容對單片機中的外設進行初始化,開啟中斷,單片機等待中斷發生。每過20 ms產生一次定時器中斷,在定時器中斷處理程序中,單片機讀取ADC的數據并通過DAC輸出模擬電壓控制溫度,根據FLASH中的參數調用DAC程序產生參考信號。

串口通訊模塊接收上位機的數據并修改FLASH中的參數,向上位機發送密封盒的溫度等參數,由于上位機可以隨時發送參數,所以采用中斷方式,在出現異常的時候,處理程序也要采用主動向上位機發送數據。

用多個C函數分別實現初始化、中斷、ADC、DAC、讀寫FLASH等功能。

4 實驗結果分析

本文對設計的單光子探測器的探測性能進行了測試,APD溫度穩定控制在-45 ℃,采用衰減后的弱相干光作為準單光子源,將1550 nm高速皮秒激光器的重復頻率設置為10 MHz、脈寬設置為200 ps,衰減至0.1光子/脈沖,通過調節門控信號與皮秒激光器之間的延時,可使探測計數達到最大。

通過調節偏置電壓,改變探測器的探測效率,使用自主研制的符合計數儀采集并記錄光計數、暗計數等數據,得到探測效率在0～25%之間時后脈沖率和暗計數的變化,如圖6所示。

圖6 暗計數、后脈沖率與探測效率的關系Fig.6 Relationship between dark count,post-pulse rate and detection efficiency

由圖6可以看出,當探測效率小于12 %時,暗計數率和后脈沖率隨著探測效率增加而緩慢增加,此后,上升幅度明顯增大；當探測效率為10 %時,暗計數約為5.8×10-6/ns,后脈沖率僅為1 %；探測效率達到25 %時,暗計數增長至2.9×10-5/ns,后脈沖上升至33.8 %。探測效率調整為10 %后,放入高低溫試驗箱中進行測試,實驗結果如圖7所示。

圖7 探測器的溫度穩定性測試Fig.7 Temperature stability test of detector

從圖7中可以看出,探測器在不同溫度環境中,光計數的變化較小,穩定性高,滿足國產化的穩定性要求。

5 總 結

本文基于國產元器件研制了能夠初步滿足QKD需求的InGaAs/InP APD單光子探測器,給出了探測器的技術方案,為提高我國量子儀器的國產化水平打下堅實基礎。

目前研制的單光子探測器與國外先進水平還有一定的差距,在下一步工作中,將改善探測效率、后脈沖率、暗計數以及探測速率等指標,當然這些參數仍需要依賴于國產元器件性能的不斷改進。