单光子探测器校准技术研究进展

刘长明,张鹏举,林永杰,沈荣仁,刘红波,史学舜,庄新港,吴 斌

(中国电子科技集团公司第四十一研究所,青岛 266500)

1 引言

随着光量子技术的快速发展,单光子探测技术在量子密钥分发、量子光学、天文观测、生物荧光检测等领域应用越来越广泛[1-4]。随着相关工艺的发展,单光子探测器性能得到较大提升,同时国内外各研究机构也开展了相关测试、校准技术研究,具有代表性的计量机构有美国国家标准与技术研究院(NIST)[5,6]、英国国家物理实验室(NPL)[7,8]、意大利国家计量院[9,10]、中国科学院合肥物质研究院[11]、中国电科41 所[12];代表研究项目主要是欧盟MIQC 项目[13]。单光子探测器特性参数主要有暗计数率、探测效率、后脉冲概率、死时间、时间抖动和饱和计数率等。其中,探测效率作为单光子探测器的核心参数,是校准技术的研究重点,暗计数率、后脉冲概率决定了探测信噪比,而时间抖动则决定了测距精度,文中将重点围绕以上几个参数的校准简要介绍国内外研究进展。

2 单光子探测器

单光子探测器从工作机理上分基于光电效应和光热效应两类,基于光电效应的主要有单光子雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管(PMT)[14];基于光热效应的主要有超导纳米线和超导边缘转换单光子探测器[15,16]。从探测性能、工作环境要求、系统复杂度、尺寸功耗等多方面比较来看,APD 综合性能优势明显,是目前应用最广泛的单光子探测器件。

APD 单光子探测器主要有可见—近红外波段响应的Si-APD 和近红外波段响应的InGaAs/InPAPD 两类,其中Si-APD 暗计数率和后脉冲概率已能控制在较低水平,通常工作在自由运转模式;受材料和工艺限制,当前InGaAs/InP-APD 的性能仍不能提升至Si-APD 单光子探测器水平,所以为降低暗计数率和抑制后脉冲概率,InGaAs/InP-APD 单光子探测器通常工作在盖革模式下,典型工作示意如图1 所示。单光子探测器探测到一个光子后,以一定概率产生一次光子计数,为抑制雪崩,淬灭电路介入使探测器进入一段死时间,死时间过后后脉冲计数出现的概率远高于暗计数率出现的概率,随后逐渐降低至与暗计数率同等水平。

受材料缺陷、工艺水平、驱动和淬灭电路等的限制,目前主流的量子保密通信波段APD 单光子探测器的探测效率最高到30 %,暗计数率约10-6/门,时间抖动在百ps 量级。后脉冲概率根据工作参数的不同差异较大[17],探测效率由10% 变化至30%时,后脉冲概率可能由1 %增大至100 %。超导类单光子探测器探测效率最高可达90 %,暗计数率率最低＜10 Hz,但由于其运行环境较为苛刻,如需要超低温工作环境,只适合在部分场合内使用。由于单光子探测器工作物理机制较为复杂,各参数之间并不是独立不相关,产品在定型时性能指标的设定须考虑其各性能参数之间的平衡。作为单光子探测器最核心的参数,各种应用都需要探测效率尽量高,但提高探测效率的同时暗计数率、后脉冲概率会显著提高;引入死时间降低后脉冲概率的同时会降低探测效率,所以单光子探测器的性能参数需要根据当前的工作条件进行设定与校准。

3 单光子探测器校准技术研究现状

3.1 基于标准探测器的探测效率校准

基于标准探测器的探测效率校准分直接法和间接法两种。直接法是利用低噪声探测器对单光子强度进行直接校准;间接法是利用标准光电探测器对激光初始光功率值和多级滤光片的衰减值分别进行校准后,间接得出最终输出的单光子强度。间接法的优点在于系统组成较为简单,覆盖波段宽,难点在于如何将大动态范围的光衰减进行准确标定。该方案的普适性较高,各国计量测试研究机构均开展了相关研究,并通过缩短溯源链路、提高光源的功率稳定性、采用线性优异的光电二极管来对衰减器分别进行标定等措施,使得测量准确度得到明显提高。国外代表研究机构有德国联邦物理技术研究院(PTB)[18],测量装置示意图如图2 所示,可见光波段单光子探测器探测效率测量不确定度约0.2 %(k=1)。国内代表研究机构有中国电科41 所等单位[19],测量装置示意图如图3 所示,所示探测效率测量不确定度0.3 %(k=1)。

图2 PTB 利用标准探测器校准单光子探测器探测效率示意图Fig.2 Sketch map of detection efficiency of single photon detectors calibrated by PTB

图3 中国电科41 所单光子探测器探测效率校准装置示意图Fig.3 Schematic diagram of single photon detector detection efficiency calibration device at the 41st Institute of CETC

随着微弱电流信号测量准确度的提高,直接利用低噪声探测器对单光子强度进行校准成为可能,代表研究机构有美国NIST[20]、捷克国家计量院CMI[21]、韩国国家计量院[22-24]等。2016 年,德国PTB 与捷克CMI 进行了一次比对实验,利用低噪声探测器直接测量和激光衰减产生标准单光子源对单光子探测器探测效率进行测量开展了比对实验,比对实验装置如图4 所示,比对结果显示En值小于0.6,具有较好的一致性[25,26]。

图4 德国PTB 与捷克CMI 比对实验示意图Fig.4 Schematic diagram of comparative experiment between PTB and CMI

3.2 基于相关光子对的探测效率校准

基于相关光子对的探测效率校准原理为:通过非线性晶体的参量下转换效应产生成对的相关光子,通过分光使两路光子沿不同的通道传输,并利用单光子探测器对两路光子进行探测。若其中一路探测到光子,因能量守恒则预示着另一路必然会有相关联的光子存在。对两路单光子探测器的计数信号进行符合测量,结合已知的两路计数信号和待测通道光路透过率后即可计算得到探测效率值。因该校准方法溯源至客观量子物理规律,有别于传统的溯源至客观标准的方法,所以是一种典型的“无标准传递”校准方案,同时符合计量量子化和扁平化的发展趋势。开展基于相关光子对进行探测效率校准的国外研究机构主要有美国NIST[27]、意大利国家计量院[28]、英国NPL[29]等,探测效率测量不确定度约0.2 %(k=1);国内主要有中国计量科学研究院、中科院合肥物质研究院、中国电科41 所等单位,探测效率测量不确定度＜0.5 % (k=1)[30-33]。相关光子对法作为一种新型的校准方法,从保证其测量准确度的角度出发,需要利用现有的量值手段进行比对验证,从而证明其有效和可行性。国内外开展相关光子法和标准探测器法比对验证研究的典型代表机构有美国NIST[27]、英国NPL[29],可见光波段利用标准探测器和相关光子法校准单光子探测器探测效率比对值En＜1。

3.3 后脉冲概率校准

单光子探测器探测到光子引发雪崩过程会产生大量载流子,绝大多数载流子会通过雪崩抑制电路释放,但仍有小部分载流子会被低能级缺陷捕获,当雪崩被抑制经过一段死时间后,这些被缺陷捕获的载流子开始释放并再次触发雪崩从而引发后脉冲计数,因此在没有光子信号入射时单光子探测器输出的误计数便是后脉冲计数[34]。一次光子计数可能引起初级及次级后脉冲计数,同理,这些后脉冲计数还会引起多级后脉冲计数,以上多级后脉冲计数之和与光子计数的比值便是后脉冲概率。因此,后脉冲概率测量的关键在于如何将探测器进行一次有效计数后引起的后脉冲计数全部测量出来。Si-APD 单光子探测器后脉冲概率可控制在1 %以内,通常工作在自由运转模式,而为了降低后脉冲概率,InGaAs/InP-APD 单光子探测器通常工作在盖革模式。针对盖革模式下后脉冲概率的测量,美国Princeton Lightwave 公司在2012 年,提出了一种基于“双时序”的后脉冲概率测量方案,如图5 所示[35],测量时设置激光频率远小于探测器的工作频率,图5 中激光频率与单光子探测器频率之比设定为1 ∶128。分别记录与激光同步的计数信号以及探测器输出的总计数信号,可将初级和衍生的高阶后脉冲计数进行整体测量,是目前测量准确度较高的一种测量方案,广泛应用于后脉冲概率的校准中。

图5 后脉冲概率测量示意图Fig.5 Schematic diagram of afterpulsing probability measurement

3.4 时间抖动校准

时间抖动是表征单光子探测器时间精度特性的参数。单光子探测器探测到光子至输出脉冲信号的过程需要一定的时间,这种时间的差异便是单光子探测器的时间抖动。典型时间抖动校准示意如图6 所示,基于同一时序发生器分别触发脉冲光源和待测单光子探测器,短脉冲光源经衰减后入射待测单光子探测器,分别将单光子探测器计数信号和脉冲光源同步触发接入时间相关测量。通过时间相关测量仪器的符合测量模式,测量计数信号与触发信号之间的延时分布,延时分布曲线全波半高宽为整个校准装置的时间抖动ΔT,该值由脉冲光源脉冲宽度Tlaser、单光子探测器时间抖动Tjitter和时间相关测量仪器自身时间抖动Ttac共同决定:

图6 典型时间抖动测量装置组成图Fig.6 Typical composition diagram of time jitter measuring devices

利用示波器等仪器分别测得脉冲光源脉冲宽度Tlaser和时间相关测量仪器自身时间抖动Ttac后带入式(1),最终得到单光子探测器时间抖动Tjitter,测量不确定度一般在5 %以内。

4 结束语

对单光子探测器校准技术的研究进展进行了简述,国内外计量研究机构在基于传统光辐射量传体系与溯源至客观量子物理现象的新型校准技术方向均开展了大量研究,在计量量子化变革的背景下,溯源至量子物理现象的新机制计量测试设备,能够直接将最高测量准确度在现场复现,是未来单光子探测器校准技术的主要发展方向之一。