InGaAs/InP单光子探测器的研制

刘 云,李 源,徐焕银,李风雨,马 伟,曹德良,朱向冰

(1.安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002；2.安徽问天量子科技股份有限公司,安徽 芜湖 241000；3.安徽省量子安全工程研究中心,安徽 芜湖 241000)

1 引 言

单光子探测器是量子密钥分配(QKD)系统中的重要器件[1-4],国内已经有文献报道了相关的研究[5-9],但是目前国产单光子探测器还是依赖进口元件,为保障国家重点领域信息数据的安全,单光子探测器需要完全国产化。

本文基于国产元器件研制了红外单光子探测器,使用InGaAs/InP雪崩二极管作为核心元件,采用半导体制冷片控制雪崩二极管的温度,在雪崩二极管上施加合适的偏置电压,使用门控电路切换雪崩二极管的工作状态,通过小信号处理电路提取雪崩信号,实验表明本文研制的单光子探测器的探测效率、暗计数率和后脉冲等主要参数都能达到量子密钥分配系统的要求。

2 系统硬件

本文采用国产元器件,设计的红外单光子探测器系统如图1所示,主要包括雪崩二极管、单片机模块、温控模块、偏置电压模块、门控信号模块和小信号处理模块。

常见的雪崩二极管有Si和InGaAs/InP两种类型,本文需要探测1550 nm的光子,满足该波长要求的雪崩二极管主要是InGaAs/InP型。本探测器的核心器件采用某型国产的InGaAs/InP雪崩二极管,该雪崩二极管工作波长在950～1650 nm,可工作在线性模式和盖革模式下。

为了抑制雪崩二极管的暗电流和暗计数,需要使雪崩二极管工作在较低的温度环境下[10]。本文通过温控模块控制雪崩二极管的温度。

在雪崩二极管工作时需要在阴极加载偏置电压,由于器件的差异,相同温度下,不同二极管的雪崩电压是不一样的,导致偏置电压也不同。当雪崩二极管工作在盖革模式下,通过改变偏压,可以改变探测器的探测效率[5]。偏置电压模块为雪崩二极管提供偏置电压。

持续工作在盖革模式下容易导致雪崩二极管损坏,本文采用门控信号来使雪崩二极管迅速进入和脱离盖革模式。当正偏置电压与门控信号模块产生的负电压之差略大于雪崩电压时,雪崩二极管工作在盖革模式,光子入射到雪崩二极管上,二极管发生雪崩,产生雪崩信号；当电压差小于雪崩电压,二极管迅速脱离盖革模式,即便有光子入射到二极管上也不会产生雪崩现象。

当发生雪崩时,输出的微弱的雪崩信号将会湮没在尖峰噪声中[11],本文设计一种小信号处理模块,有效滤除尖峰噪声,提取雪崩信号,实现雪崩信号的鉴别探测。

单片机模块控制其他模块并进行通讯。

2.1 单片机模块

单片机模块选用的是GD32F103RET6型国产ARM单片机,封装为LQFP64,有51个I/O口[12]。在本文中该芯片工作频率为108 MHz,采用外置的8 MHz晶振,完全满足设计要求。

单片机模块给偏置电压模块发送参考信号。单片机接收温控模块发送的温度数据,经过运算后,发送数字信号给温控模块。小信号处理模块需要一个可调的参考电压,由单片机通过DAC提供给小信号处理模块。

图1 单光子探测器结构框图Fig.1 Schematic diagram of single photon detector

2.2 温控模块

温控模块包括热敏电阻、A/D转换器、D/A转换器、PWM控制器和热电制冷器。其中热电制冷器、热敏电阻和雪崩二极管放在密封盒中,密封盒可起到绝热、密封的作用,以便于控制雪崩二极管的温度。单片机通过热敏电阻和A/D转换器得到雪崩二极管的温度；通过D/A转换器和PWM控制器驱动热电制冷器。

选用兼容国外LT3845芯片的国产某型PWM控制器,选用兼容国外ADS8509I芯片的国产某型A/D转换器。测量表明在室温条件下,密封盒内部最低温度可达-50 ℃,控制精度为±0.1 ℃。

2.3 偏置电压模块

对偏置电压模块的要求是输出电压稳定、连续可调、纹波小、噪声低,设计的偏置电压模块如图2所示。采用国产JS3580芯片作为boost转换器,该芯片具有2 A的内部电源开关,并且开关频率可调。低压精密运算放大器采用国产的SX061XHR芯片,失调电压仅为6 mV。设计的直流偏置电压在26.5～75.0 V内可调,电路具有较低的温漂,输出偏置电压很稳定。

图2 偏置电压电路Fig.2 Bias voltage circuit

2.4 门控信号模块

门控信号产生电路如图3(a)所示,输入信号为100 MHz的脉冲信号,脉冲信号通过D触发器形成1 ns的窄脉冲信号,再通过射频功率放大器反向放大,输出的门控信号幅度范围在-4～-6 V,脉宽为1.5 ns,施加到雪崩二极管的阳极。图3(b)为门控电路产生的输出信号,其中横坐标每格1 ns,纵坐标每格1 V,脉冲幅度-4.9 V。

图3 门控信号产生电路及产生的窄脉冲信号Fig.3 Gated signal generating circuit and narrow pulse waveform

2.5 小信号处理模块

雪崩二极管具有结电容,当门信号加到雪崩二极管上时,雪崩二极管会对门信号产生微分效应,形成尖峰噪声,雪崩二极管输出的雪崩信号仅有毫伏级,微弱的雪崩信号将会湮没在尖峰噪声中[13]。为了提取雪崩信号,本文提出了一种双雪崩二极管的差分降噪方案,电路框图如图4所示。

本文选用同批次的两个国产雪崩二极管,保证了结电容特性尽可能一致,即产生近乎相同的尖峰噪声；两个雪崩二极管上同时输入门信号,只有一个雪崩二极管接收光子,接收光子的雪崩二极管上输出尖峰噪声和雪崩信号,另外一个只输出尖峰噪声,将两路信号通过差分电路滤除尖峰噪声,随后进行小信号放大,小信号放大电路输出如图5所示,其中横坐标每格5 ns,纵坐标每格200 mV,脉冲幅度约为200 mV的是噪声,大于700 mV的为雪崩信号。由于两路信号的路径不完全一致,导致尖峰噪声并不能被完全滤除,但此时的雪崩信号已明显区别于噪声信号,最后通过比较甄别电路,设置阈值提取雪崩信号,整形输出TTL电平信号至后端的计数器进行计数。

图4 小信号处理模块Fig.4 Small signal processing module

图5 小信号放大电路输出Fig.5 Output of small signal amplifier circuit

3 系统软件设计

根据系统的功能要求,单片机需要对时钟、ADC、DAC、串口、看门狗、定时器进行初始化,通过ADC、DAC控制温度,通过DAC发出参考信号给偏置电压模块和小信号处理模块,进行串口通讯。

相应的软件也分为几个部分:初始化模块、串口通讯模块、定时器中断处理程序,在定时器中断处理程序中控制温度和产生参考信号。上电以后,单片机内部的RC振荡器作为时钟源,立即运行初始化模块,读取FLASH存储的内容,依据这些内容对单片机中的外设进行初始化,开启中断,单片机等待中断发生。每过20 ms产生一次定时器中断,在定时器中断处理程序中,单片机读取ADC的数据并通过DAC输出模拟电压控制温度,根据FLASH中的参数调用DAC程序产生参考信号。

串口通讯模块接收上位机的数据并修改FLASH中的参数,向上位机发送密封盒的温度等参数,由于上位机可以随时发送参数,所以采用中断方式,在出现异常的时候,处理程序也要采用主动向上位机发送数据。

用多个C函数分别实现初始化、中断、ADC、DAC、读写FLASH等功能。

4 实验结果分析

本文对设计的单光子探测器的探测性能进行了测试,APD温度稳定控制在-45 ℃,采用衰减后的弱相干光作为准单光子源,将1550 nm高速皮秒激光器的重复频率设置为10 MHz、脉宽设置为200 ps,衰减至0.1光子/脉冲,通过调节门控信号与皮秒激光器之间的延时,可使探测计数达到最大。

通过调节偏置电压,改变探测器的探测效率,使用自主研制的符合计数仪采集并记录光计数、暗计数等数据,得到探测效率在0～25%之间时后脉冲率和暗计数的变化,如图6所示。

图6 暗计数、后脉冲率与探测效率的关系Fig.6 Relationship between dark count,post-pulse rate and detection efficiency

由图6可以看出,当探测效率小于12 %时,暗计数率和后脉冲率随着探测效率增加而缓慢增加,此后,上升幅度明显增大；当探测效率为10 %时,暗计数约为5.8×10-6/ns,后脉冲率仅为1 %；探测效率达到25 %时,暗计数增长至2.9×10-5/ns,后脉冲上升至33.8 %。探测效率调整为10 %后,放入高低温试验箱中进行测试,实验结果如图7所示。

图7 探测器的温度稳定性测试Fig.7 Temperature stability test of detector

从图7中可以看出,探测器在不同温度环境中,光计数的变化较小,稳定性高,满足国产化的稳定性要求。

5 总 结

本文基于国产元器件研制了能够初步满足QKD需求的InGaAs/InP APD单光子探测器,给出了探测器的技术方案,为提高我国量子仪器的国产化水平打下坚实基础。

目前研制的单光子探测器与国外先进水平还有一定的差距,在下一步工作中,将改善探测效率、后脉冲率、暗计数以及探测速率等指标,当然这些参数仍需要依赖于国产元器件性能的不断改进。