摘要：作為量子信息系統(tǒng)的接收終端，提高單光子探測(cè)器的探測(cè)效率與工作速率意義重大?；贗nGaAs/InP 雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）設(shè)計(jì)了2 GHz 高探測(cè)效率單光子探測(cè)器，采用正弦門控與低通濾波技術(shù)相結(jié)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(hào)，尖峰噪聲抑制比達(dá)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(shí)現(xiàn)了探測(cè)效率40.2%、暗計(jì)數(shù)率7.75×10?6/門、后脈沖概率10.0%、時(shí)間抖動(dòng)僅為80 ps 的高性能單光子探測(cè)。此外，還分析了不同幅度的門控信號(hào)與多個(gè)APD 工作溫度，探究其對(duì)APD 性能的影響，探索進(jìn)一步提升探測(cè)器性能的可能，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信、量子計(jì)算等應(yīng)用提供支撐。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)器；雪崩光電二極管；低通濾波技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN 215 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

單光子探測(cè)器（single-photon detector，SPD）是檢測(cè)微弱光信號(hào)的核心器件，極高的靈敏度使其能檢測(cè)光的最小能量單位——光子[1]。在量子信息科學(xué)[2]、深空通信[3]、量子密鑰分發(fā)[4] 等應(yīng)用中，高光子探測(cè)效率（photon detection efficiency，PDE）的單光子探測(cè)器能夠有效降低通信系統(tǒng)的誤碼率，提高量子計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。目前常用的單光子探測(cè)器有超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的探測(cè)效率已超過(guò)90%。但它們需要在低于4 K 的超低溫度下工作，導(dǎo)致較高的成本和功耗，并使得集成和維護(hù)更為困難。而PMT 的工作電壓高達(dá)上千伏，APD 相較于PMT，其偏置電壓較低，通常低于300 V，結(jié)構(gòu)也更為簡(jiǎn)單。APD 相較于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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(yōu)勢(shì)APD 逐漸成為單光子探測(cè)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(tài)[8]， 可以通過(guò)提高APD 的偏置電壓進(jìn)而提高APD 的探測(cè)效率，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)更高的誤計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)率與后脈沖概率。過(guò)高的誤計(jì)數(shù)會(huì)限制APD 探測(cè)效率的提升及APD 應(yīng)用的推廣。降低APD 的誤計(jì)數(shù)并保證其探測(cè)效率具有一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將APD 運(yùn)行在正弦門控模式下，在光子到來(lái)時(shí)才進(jìn)行探測(cè)，這樣能夠有效降低誤計(jì)數(shù)，提高探測(cè)效率。為了抑制由APD 的容性效應(yīng)帶來(lái)的尖峰噪聲，采用低通濾波級(jí)聯(lián)的方法，使尖峰噪聲抑制比達(dá)到了41.5 dB。由于APD 是半導(dǎo)體器件，當(dāng)APD 的工作溫度變化時(shí)，其性能也會(huì)改變，因此設(shè)置不同的工作溫度，觀察APD 的性能變化情況。門控信號(hào)的幅度也是影響探測(cè)效率的重要因素之一，不同幅度的門控信號(hào)，其反向偏置電壓也不盡相同。高幅值的門控信號(hào)，因其過(guò)雪崩電壓更高，從而提高了探測(cè)效率，不同幅值的門控信號(hào)也會(huì)影響后脈沖概率。同樣設(shè)置了不同幅度的門控信號(hào)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。最終經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)探究， 當(dāng)設(shè)置門控信號(hào)的幅度為10 V、APD 的工作溫度為?10 ℃ 時(shí)，APD 能夠兼顧探測(cè)效率與誤計(jì)數(shù)。最終實(shí)現(xiàn)了40.2% 的高探測(cè)效率，暗計(jì)數(shù)率為7.75×10?6/門，后脈沖概率為10.0%，而時(shí)間抖動(dòng)僅為80 ps，為未來(lái)構(gòu)建新一代量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了高性能終端。