中红外波段雪崩光子探测器研究进展陈效双;何家乐;李庆;李冠海;王文娟;胡伟达;陆卫【摘要】近年来,中红外雪崩光电二极管(APD)阵列,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用的重要器件.本文具体介绍了中红外雪崩光电探测器的结构和探测原理,对其结构参数相关的性能以及优缺点进行了详细介绍,并展望其发展前景,同时介绍了一些中波红外雪崩光子探测器研究和应用进展.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】12页(P825-836)【关键词】雪崩光子探测;中波红外探测;碲镉汞雪崩光电二极管【作者】陈效双;何家乐;李庆;李冠海;王文娟;胡伟达;陆卫【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;上海科技大学物质科学学院,上海201210;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;上海科技大学物质科学学院,上海201210;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083【正文语种】中文【中图分类】O572爱因斯坦对现代科学的主要贡献之一就是认识到光的能量是量子化的，这一最小光量子单位即被称为光子。
光子数可分辨的探测能力是光子信息处理核心技术。
作为最小信息的载体，最小光量子的光子探测是光信息探测的最高灵敏度[1-2]。
如果按照单个光子的频率对应的能量计算，在可见光和近红外波段内，其能量仅在10－19 J量级。
要想探测这样微弱的信号，人们开始研究特殊的光电探测器件——雪崩光子探测器。
目前雪崩光子探测器已在科学与工程领域的前沿得到了广泛的应用。
初期的雪崩光子探测器多以光电倍增管与雪崩光电二极管为主[3-7]，这类传统雪崩光子探测器支撑起了早期对于可见光波段弱光检测的实际应用。
然而随着量子信息（Quantum Information，QI）技术的飞速发展，像光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用，传统的雪崩光子探测器已无法满足其需求[8-10]。
量子信息技术利用单个量子单元（如光子）以编码和传递信息，在信息传输速度及安全性都展现了极大的潜力。
在量子密钥通信中，为了避免被窃听获取信息的风险，通常需要以单个光子传输信息以提升系统的安全性[11-12]。
此外，量子计算协议（Optical Quantum Computing，OQC）也在技术上对雪崩光子探测及雪崩光子源提出了更高的要求，如信噪比、探测效率、光谱范围与雪崩光子分辨能力等参数都需要远远超出传统的雪崩光子探测器[9, 13]。
量子信息技术已经成为国际的前沿领域，美国的麻省理工学院、加州理工大学和南加州大学共同联合建立了量子信息和计算研究所，将量子信息作为3项重点研究方向之一。
最近，Raytheon公司使用MBE（Molecular Beam Epitaxy）获得了ZnCdTe基的碲镉汞APD（Avalanche Photo Diode）器件。
采用该探测器的激光成像雷达系统获得的三维图像具有极佳的空间和距离分辨率。
为了满足量子信息技术快速增长的广泛应用需求，世界各国的科研工作者正在不遗余力地优化和变革传统雪崩光电探测器结构和性能，同时也在不断地提出新的雪崩放大的探测思想和概念。
雪崩光子探测器的性能通常以光谱范围、死时间、暗计数率、探测效率、时间抖动和光子数分辨能力等通用指标进行评估。
不同的光学应用环境，对其的要求也不尽相同。
雪崩光子探测器的具体性能，主要通过以下参数来反映：光谱范围（spectral range）：雪崩光子探测器只对一定光谱范围内的光子信号有响应，这一光谱范围通常由其吸收层材料带隙所决定。
对于可见光波段，目前技术最成熟的是硅雪崩光子探测器；而对于短波红外常见的波长1550nm通讯波段，一般使用InGaAs雪崩光电二极管。
目前对于中长波雪崩光子探测方面的研究，最具有潜力的探测器是碲镉汞雪崩光电二极管。
美国DRS公司研制的截止波长4.3mm的雪崩光子探测器光谱响应，如图1所示[14]。
死时间（Dead time）：死时间，又被称作探测器的恢复时间。
探测器在实现一次光子探测后，需要一定的恢复时间来响应下一个光子，这个时间即称为死时间，这期间探测器无法探测到任何光信号。
通常而言，探测器的材料与结构类型对探测器的死时间起主要作用，但是，在大多数情况下，死时间的实际测量结果也与探测器的外置电子电路密切相关。
对于半导体雪崩光子探测器而言，刻意地延长死时间以抑制后脉冲会极大地影响探测器的最大计数率，因此在雪崩单光子探测器中通常辅助以“淬灭-重置”电路以改善其死时间特性，并使其远小于系统的工作时钟频率。
暗计数（Dark count rate）：在没有入射光子的情况下，探测器自身也会产生一些非光子响应的输出信号，通常被称为暗计数。
探测器的材料缺陷、偏置条件或外部噪声会导致误计数，因此，决定了暗计数的水平。
汞空位掺杂碲镉汞APD暗计数与工艺的关系，如图2所示[15]。
针对半导体雪崩光子探测器，在隔离的实验室环境下暗计数的测量实际意义不大，必须将探测器集成到系统的应用环境下测量其暗计数，确保为真实应用时暗计数的大小。
通常情况下，暗计数的数值单位表达方式有两种，一种表达为个/秒，也可表达为个/探测门。
通过工作在门触发模式或设置淬灭时间，人们能实现有效减缓探测器的暗计数率。
探测器的抖动时间决定了最小探测门宽或淬灭时间的间隔。
探测效率（Photon detection efficiency）：针对雪崩光子探测器，通常定义探测效率为其探测到入射一个光子或者入射一束光子的效率，也即探测器响应入射光子的概率，是器件的光子探测能力的体现。
探测效率可由下式给出：式中：Rout指探测器的输出计数，也即实际计数值；Rincident为入射的光子数。
在实际光电响应应用中，因为在入射光传输到探测器的过程中，光子耦合可能存在一定的损耗，因此探测器的整体探测效率可以分解为耦合效率hcouple和内量子效率hquantum两部分，也即h＝hcouplehquantum。
一般情况下只讨论最终表现的整体探测效率h。
为了确保探测效率的精确测量，一种方式是通常使用已经校准的光子源，另一种方式通常使用相关光子对来进行实验，同时要考虑到探测器的死时间，并且需要依据探测器的暗计数对Rout进行修正[16-17]。
理论上理想的雪崩光子探测器的探测效率能达到100%。
随着材料制备水平的提高和器件结构优化技术的发展，雪崩光子探测器已经接近理想的探测效率[18-19]。
时间抖动（Timing jitter）：当光子入射到雪崩探测器的光吸收材料上，光子被吸收后探测器产生的电脉冲信号输出之间会有一定时间延时，该延时的时间范围通常被称为时间抖动。
对时间抖动的可靠测量，实验上通常采用多次测量相同时间的入射光子数，在时间轴上获得输出信号的统计分布的半高宽（Full-width half-maximum，FWHM）来确定。
单个光子计数的最大时钟频率通常取决于探测器的时间分辨率，而探测器的时间分辨能力则由时间抖动决定。
这项参数对雪崩光子探测器的很多实际应用都至关重要，比如在激光测距中决定其表面分辨率，在三维成像技术中决定了其精确度。
光子数分辨能力（Ability to resolve photon number）：通常定义为准确分辨入射光子数的能力为雪崩光子探测器的光子数分辨能力。
相比较当前的光子数敏感探测器件，大多数的传统光子探测器只能分辨“无光子”或者“有光子”两种状态[20-21]，这种二元响应意味着多光子响应与雪崩光子响应的输出信号是相同的，而目前量子通讯领域的应用需要区分每个光子态。
激光器在远高于阈值时，其光子数分布服从泊松统计：式中：ánñ表示每个脉冲中的平均光子数。
因此，光子数可分辨探测器的探测效率越高，越能真实反映入射的光子数。
针对具有光子数分辨能力的雪崩光子探测器，人们可以利用其光响应输出的电信号强度来确定入射的光子数。
近年来光子探测技术正在飞速发展，越来越多的可用于光子探测的技术已经见诸报道，包括光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）、雪崩光电二极管、频率上转换技术、可见光子计数器（（Visible Light Photon Counter，VLPC）、超导光子探测器、量子点场效应晶体管（QDFET）等。
本章将对目前各种光子探测技术的性能和前景进行总结和分析，在介绍各种光子探测技术的物理机制、性能和优缺点的同时，也指出了其进一步研发的潜力以及未来的发展方向。
1）光电倍增管光电倍增管是于1949年最早实现单光子探测的元器件，目前已经得到了广泛的商业化应用[22-24]。
光电倍增管由一个真空管、阴极、阳极和几个电子束倍增极组成，如图3所示[25]。
当入射光子到达光电阴极以后，激发出光电阴极的电子，在电场作用下获得加速并依次冲击各级电子倍增极，每一次冲击释放出的电子都可在电场加速下冲击下一级倍增极。
通过给PMT的各级倍增极施加比前一级更高的电势，可以产生非常显著的级联放大作用，单个电子就能产生106数量级的电子，被阳极收获而产生宏观电流，从而实现对雪崩光子的探测。
与其他单光子探测器相比，PMT具有较大的探测面积（可达到平方厘米甚至平方米量级），极高的灵敏度和较高的增益[26]。
PMT也有着响应速度较快（输出信号上升时间低于1ns）、暗计数低（室温下只有几十Hz）以及光谱覆盖范围宽（115～1700nm）的优点[27-28]。
受光电阴极材料的外光电效应效率的限制，PMT的量子效率很难超过40%[29]。
由于PMT采用多倍增极的结构，其电子渡越时间分散较大，因此PMT通常具有较低的时间分辨率。
通常而言PMT的物理尺寸较大，同时需要高真空与高偏置电压的工作环境，其中的电子也极易受磁场等外加因素的干扰，这使得PMT在机械稳定性、使用寿命、工作稳定性等方面具有较多的缺点，极大地限制了PMT的应用。
另外，虽然PMT具有较宽的光谱覆盖范围，但是限于红外波段低至2%的量子效率，目前PMT在红外量子通信波段尚少实际应用价值[27, 30]。
为了提高PMT的时间分辨率，出现了采用单级倍增结构的微通道端面光电倍增管（Microchannel Plate，MCP）[30-31]。
其基本结构即为将一种内壁涂有二次电子发射材料的玻璃毛细管密集成束，当光电阴极激发的电子进入玻璃管时，电子在玻璃管内部反复撞击而引发出更多的次级电子束，从而产生较大的增益。