基于InGaAs/InP 的高效率GHz 單光子探測器

摘要：作為量子信息系統的接收終端，提高單光子探測器的探測效率與工作速率意義重大。基于InGaAs/InP 雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）設計了2 GHz 高探測效率單光子探測器，采用正弦門控與低通濾波技術相結合的方法，有效抑制了門控模式下APD 的尖峰噪聲并提取雪崩信號，尖峰噪聲抑制比達到了41.5 dB。在通信波段1 310 nm、工作速率2 GHz、工作溫度?10 ℃ 的條件下，實現了探測效率40.2%、暗計數率7.75×10?6/門、后脈沖概率10.0%、時間抖動僅為80 ps 的高性能單光子探測。此外，還分析了不同幅度的門控信號與多個APD 工作溫度，探究其對APD 性能的影響，探索進一步提升探測器性能的可能，為實現遠距離量子通信、量子計算等應用提供支撐。

關鍵詞：單光子探測器；雪崩光電二極管；低通濾波技術

中圖分類號：TN 215 文獻標志碼：A

引 言

單光子探測器（single-photon detector，SPD）是檢測微弱光信號的核心器件，極高的靈敏度使其能檢測光的最小能量單位——光子[1]。在量子信息科學[2]、深空通信[3]、量子密鑰分發[4] 等應用中，高光子探測效率（photon detection efficiency，PDE）的單光子探測器能夠有效降低通信系統的誤碼率，提高量子計算的準確性和效率。目前常用的單光子探測器有超導納米線單光子探測器（ superconducting nanowire single-photon detector，SNSPD） [5]、光電倍增管（ photomultiplier tube，PMT）[6]、雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）[7] 等，其中超導納米線單光子探測器的探測效率已超過90%。但它們需要在低于4 K 的超低溫度下工作，導致較高的成本和功耗，并使得集成和維護更為困難。而PMT 的工作電壓高達上千伏，APD 相較于PMT，其偏置電壓較低，通常低于300 V，結構也更為簡單。APD 相較于超導納米線單光子探測器體積更小，易于集成，功耗低，僅需熱電制冷，可在室溫下工作，成本也更低，基于這些優勢APD 逐漸成為單光子探測器的主流選擇之一。

APD 通常工作在蓋革模式下，即反向偏置電壓高于雪崩電壓的狀態[8]， 可以通過提高APD 的偏置電壓進而提高APD 的探測效率，但同時也會帶來更高的誤計數：暗計數率與后脈沖概率。過高的誤計數會限制APD 探測效率的提升及APD 應用的推廣。降低APD 的誤計數并保證其探測效率具有一定的技術挑戰。本文將APD 運行在正弦門控模式下，在光子到來時才進行探測，這樣能夠有效降低誤計數，提高探測效率。為了抑制由APD 的容性效應帶來的尖峰噪聲，采用低通濾波級聯的方法，使尖峰噪聲抑制比達到了41.5 dB。由于APD 是半導體器件，當APD 的工作溫度變化時，其性能也會改變，因此設置不同的工作溫度，觀察APD 的性能變化情況。門控信號的幅度也是影響探測效率的重要因素之一，不同幅度的門控信號，其反向偏置電壓也不盡相同。高幅值的門控信號，因其過雪崩電壓更高，從而提高了探測效率，不同幅值的門控信號也會影響后脈沖概率。同樣設置了不同幅度的門控信號進行對比實驗。最終經過多組實驗探究， 當設置門控信號的幅度為10 V、APD 的工作溫度為?10 ℃ 時，APD 能夠兼顧探測效率與誤計數。最終實現了40.2% 的高探測效率，暗計數率為7.75×10?6/門，后脈沖概率為10.0%，而時間抖動僅為80 ps，為未來構建新一代量子通信網絡提供了高性能終端。