1 雪崩光电二极管

光子计数器的主要部件是雪崩光电二极管。

在电子学中，二极管是一种具有不对称传输特性的双端电子元件，在一个方向上对电流具有低（理想为零）电阻，在另一个方向上具有高（理想为无限）电阻。最常见的类型如半导体二极管，是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。因此，二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。
    光电二极管是一种光电探测器，能够根据工作模式将光转换成电流或电压。光电二极管与普通半导体二极管类似，只是它们可以暴露在外，可以通过窗口或光纤连接进行封装，从而使光到达器件的感光部分。许多专门用作光电二极管的二极管使用的是PIN结而不是p-n结，PIN结的二极管能够提高响应速度。光电二极管被设计成在反向偏置电压下工作。

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度的半导体电子设备，利用光电效应（图1）将光转换为电。可以将APD视为通过雪崩倍增提供内部第一级增益的光电探测器。通过施加高的反向偏置电压，APD由于碰撞电离而出现出内部电流增益效应（雪崩效应）。通常，反向电压越高，增益越高。对于APD，反向电压始终低于击穿电压，并且APD的灵敏度不足以检测单个光子。二极管的击穿电压是使二极管反向导通的最小反向电压。

                                                                                                                                   图1 光电效应

单光子雪崩二极管（SPAD）（也称为盖革模式APD，光子计数器，SPAD或单光子探测器）是一类具有反向偏置p-n结的固态光电检测器，在其中光生载流子可以通过碰撞电离机制而触发雪崩电流。SPAD能够检测低强度信号（低至单光子）。SPAD和APD之间的根本区别在于，SPAD专门设计为了在远高于击穿电压的反向偏置电压下工作的一类产品（相反，APD在小于击穿电压的偏置电压下工作）。

2 光子计数原理

    图2表示SPAD的I-V（电流-电压）特性，并说明SPAD如何实现单光子探测，此模式也称为盖革模式。给SPAD加载使其处于击穿态的偏置电压VBr，并处于亚稳态（A点）。它将保持此状态，直到创建主电荷载流子。在这种情况下，信号放大作用实际上变得无限大，甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应，从而出现宏观电流脉冲（点A到B），之后可以通过后端所设计的电子电路轻松的探测到信号。该电路必须要限制流过器件的电流的值，以防止其破坏器件并能够淬灭雪崩以使器件复位（点B到C）。一定时间后（死时间），偏置电压将恢复（C点到A点），SPAD再次准备探测单个光子。击穿电压的实际值取决于半导体材料、器件结构和温度等因素。对于InGaAs / InP-APD来说，击穿电压通常约为50V。在盖革模式下，APD的探测效率以及噪声都取决于所加的偏置电压。

                                                                                                                         图2 SPAD的I-V特性曲线

3 名词解释

a)探测效率

雪崩光电二极管APD在单光子探测模式下的性能主要以其探测效率为特征。该量对应于光子撞击到光电二极管上被探测到的概率。InGaAs SPAD的探测效率来自两个不同的因素：

   1.光子被InGaAs层吸收的概率；

   2.光生载流子在穿过倍增区时触发雪崩并在输出端产生电流的概率。

在基于光纤的光子计数器中，光纤与光电二极管的有效区域之间可能存在一些耦合损耗。为了对此进行补偿，可以通过稍增偏置电压以获得相同的探测效率。 但是这会稍微增加暗计数率。

当过偏置电压升高时，量子探测效率也会相应提高。在1550 nm处，InGaAs / InP光电二极管的探测效率值通常高达25％。一般对于InGaAs / InP光子计数模块的探测效率是可调的。

                                                                                                 图3 InGaAs/InP光电二极管的典型光谱响应

b)暗计数

在SAPD中，雪崩不仅由光子的吸收引起，而且还可以由结中发生的热，带间或捕获过程中产生的载流子随机触发。它们会引起自我触发效应，称为暗计数。

减少暗计数的最简单方法是冷却探测器。这减少了热载流子的产生。因此，在低温下，暗计数主要由带间隧穿产生的载流子以及更重要的捕获电荷（见下文c）产生的载流子所控制。过高的偏置电压会增加暗计数的发生，增加了探测效率同时降低了时间抖动。因此，必须谨慎选择偏置电压的工作点。

在门控模式下，通常将这种效应量化为门持续每纳秒的暗计数概率。

例如：暗计数率：1350Hz，门宽20ns，触发频率10MHz；    

门控暗计数：1350/（20x10M）。

c)后脉冲

限制当前InGaAs / InP APD性能的主要问题是所谓的后脉冲的存在增加了暗计数率。

当APD单光子探测器发生雪崩时，有一部分载流子会滞留在倍增层中，这些滞留的载流子随后释放的时候也会触发雪崩，产生非光子探测脉冲，这样的脉冲称为后脉冲。后脉冲会造成错误计数，而SNSPD无后脉冲。

后脉冲的这种杂散效应是由于在碰撞电离发生的结的高场区内陷阱能级引起的雪崩过程中电荷载流子的捕获而产生的。当随后释放时，这些捕获载流子可以触发所谓的后脉冲。对于InGaAs / InP APD，捕获电荷的寿命通常为几微秒。这些事件的概率也与填充陷阱的数量成正比，而填充陷阱的数量又与淬火发生前雪崩中穿过结的电荷成正比。 通过确保快速淬灭雪崩可以限制总电荷。

还需要注意的是，降低APD的工作温度会延长捕获电荷的寿命。因此，必须谨慎选择冷却温度，以最大程度地降低总暗计数概率（包括后脉冲）。 对于当前的InGaAs / InP SPAD，最佳温度通常约为220K。

到目前为止，通过后脉冲使用死时间的技术来降低暗计数增加。如果在探测到光子之后，SPAD两端的电压保持低于击穿电压的时间间隔大于陷阱寿命，则陷阱电平为空且不会触发雪崩。对于InGaAs/InP SPAD，典型的捕获时间在微秒范围内。在每次雪崩探测到光子之后，利用死区时间（=电压未升高到击穿电压以上的时间）来抑制雪崩，死区时间要比捕获电荷的寿命长。在100MHz的触发速率下，两个门之间的时间间隔为10ns。因此，1us的死区时间将抑制接下来的100个门，并且最大计数率将限制为1 MHz，在门控模式下，可采取此方法。在自由运行模式下，死区时间会限制计数率。在死时间结束后，你能够无限制的探测光子，直到产生一个主电荷载体。

d)时间分辨率

    对于许多应用，探测器的时间分辨率和抖动也很重要。抖动是假定的周期信号与真实周期信号之间的偏差，时间抖动是指光子到达探测器和产生电脉冲响应的时间间隔，一般时间抖动越小越好。如果探测器时间抖动大，而测量的时间周期比较短，则有可能最终使得在前一个周期探测到的光子，最终被计入到后一个周期的计数中去，这样就会造成计数错误。因此，减小时间抖动也是单光子探测器的一个重要目标。抖动是探测器的电输出信号随周期性到达的光信号的时间变化，时间性能通常会随着偏置电压的增加而提高。为了对其进行量化，人们将短而弱的光脉冲发送到计数器，然后用一个时间—数字转换器来监控雪崩脉冲信号。对于InGaAs / InP SPAD，在探测效率为30％时，典型的时间分辨率约为115 ps FWHM。

                                            图4 InGaAs/InP ID221和ID230器件（SMF光纤）上的时间抖动测量

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