InGaAs/InP单光子雪崩二极管的后脉冲特征分析

简介：
本文深入探讨了InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）的后脉冲特性，通过实验和理论分析揭示其产生机制及影响因素。 后脉冲效应是光电探测器领域特别是单光子探测技术中的一个重要现象。为了深入理解InGaAsInP单光子雪崩二极管（SPADs）的后脉冲特性，我们需要从几个方面进行探讨。 近年来，InGaAsInP SPAD在众多研究领域中越来越受到重视。特别是在电信波段（1310nm或者1550nm），这类器件因其较高的量子效率和较低的暗计数率而被广泛应用于量子密钥分发、光子计时、非侵入性集成电路测试和单分子检测等多个领域。 然而，InGaAsInP SPAD在实际应用中会受到后脉冲效应的影响。当探测器接收到一个光子之后，由于雪崩过程中的载流子在耗尽区的陷阱效应以及热释放，在随后的一段时间内会产生额外信号脉冲（即后脉冲）。这些额外的信号降低了单光子检测的概率，并影响了探测器的整体性能。 为了减少这一问题的影响，研究者们开发了一种带有主动淬灭电路的InGaAsInP雪崩二极管。这种淬灭电路集成在专用集成电路（ASIC）上，能够迅速终止雪崩过程从而降低后脉冲率。此外，该淬灭电路可以在自由运行和门控两种模式下工作：在接收到光信号之后立即进行淬灭的自由运行模式；以及仅在特定“门”周期内被激活或禁用的门控模式。 在这项研究中，还提出了一种新的技术，在可编程逻辑门阵列（FPGA）集成电路中运行程序来表征更高阶后脉冲的影响。由于其高速和灵活的特点，FPGA广泛应用于现代电子系统中。在这里，它被用来对SPAD的输出信号进行实时采样与分析，并进一步精确测量并控制后脉冲现象。 此外，这项研究还提到了几种在电信波段常用的单光子探测器候选人：温度边缘传感器（TES）和超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）。尽管前者几乎不存在暗计数率，但其响应速度较慢。而后者则展示了最佳的综合性能——能够提供低于100Hz的低暗计数率以及良好的时间抖动（小于65ps），但由于需要低温冷却至4.2K以下，在大多数应用场景下尚不实用。 通过这项研究可以发现，InGaAsInP SPAD在解决后脉冲效应方面取得了显著进展。主动淬灭电路集成和FPGA信号处理技术的应用不仅降低了后脉冲率，也提高了单光子探测效率与可靠性，这对于量子通信、光子计时及集成电路测试等领域的研究具有重要意义。