Приемники одиночных фотонов инфракрасного диапазона на основе лавинных фотодиодов

• Автор: Анисимов, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 120 с. : ил.

1. Обзор литературы
1.1. Исследование лавинного пробоя в полупроводниковых структурах
1.2. Детектирование фотонов лавинными фотодиодами
1.3. 1 Іриемішки фотонои
1.4. Численное моделирование процессов в ЛФД
1.5. Области применения приемников фотонов
1.5.1. Квантовая криптография
1.5.2. Спектроскопия корреляции интенсивностей
2. Модель ЛФД в режиме детектирования фотонов
2.1. Распределение напряженности электрического поля в ЛФД
2.2. Параметры ЛФД в режиме, счета фотонов
2.2.1. Вероятность темпового отсчета и квантовая эффективность
2.2.2. Вероятность включения лавинного пробоя
3. Проектирование приемника фотонов на базе лавинного фотодиода
3.1. Основные принципы проектирования приемников фотонов
3.2. Формирователь стробирующих импульсов и схема питания ЛФД
3.3. Устройство регистрации срабатываний ЛФД
3.4. Термоэлектрический холодильник
3.5. Приемник фотонов для системы квантовой криптографии
4. Применение автоматизированного стенда для разработки приемника фотонов
4.1. Автоматизированный стенд для измерения параметров ЛФД
4.2. Исследование временного отклика приемника фотонов
4.3. Результаты автоматизированных измерений характеристик ЛФД
4.4. Методы улучшения характеристик приемника фотонов
5. Некоторые аспекты применения приемника фотонов
5.1. Измерение статистики фотонов
5.2. Применение приемников фотонов в системах квантовой криптографии
5.3. Излучение лавинных фотодиодов в режиме счета фотонов
Список литературы
Приложение. Принципиальные электрические схемы
П.1. Формирователь стробирующих импульсов
П.2. Регистрирующее устройство
П.З. Устройство для оценки вероятности послелавинного срабатывания
П.4. Устройство подавления послелавинных срабатываний

Необходимость регистрации одиночных фотонов возникла еще. в начале XX века, после фундаментальных работ М.Планка и А.Эйнштейна. Первые приборы, позволяющие осуществить такую регистрацию, многокаскадные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), были созданы в 30-х годах прошлого века. Дальнейшее совершенствование ФЭУ заключалось в расширении их оптического диапазона и увеличении коэффициента усиления. Тенденция повышения быстродействия, квантовой эффективности и перехода от вакуумных приборов к полупроводниковым привела к созданию в 70-х годах твердо-^ тельных фотоэлектронных умножителей - лавинных фотодиодов (ЛФД).
В настоящее время все большее распространение получают волоконные системы, в которых излучение распространяется по одно- и многомодовым оптическим световодам. В таких системах используется излучение в диапазоне длин волн от 850 до 1600 нм (ближний И К-диапазон). Разработка систем квантовой криптографии поставила задачу проектирования приемников фотонов, работающих в указанном диапазоне, имеющих высокую скорость счета, высокую квантовую эффективность и малую вероятность ложного срабатывания. До настоящего времени разрабатываемые для работы в ближнем ПК-диапазоне приемники фотонов на основе ЛФД имели сравнительно небольшую скорость счета, ограниченную эффектом послелавшшых срабатываний. Малые вероятности темпового отсчета достигались за счет охлаждения ЛФД при помощи жидкого азота. Для этих приемников не были в достаточной степени исследованы вопросы выбора оптимальной температуры, временного разрешения, а также влияние ряда параметров на характеристики приемника. Необходимость проведения подобных исследований проистекает из того, что изначально ЛФД были ориентированы на работу в качестве чувствительных фотоириемииков-усилителей (с коэффициентами усиления до нескольких десятков). При работе в качестве детектора фотонов ЛФД переводится в режим, близкий к лавинному пробою. Одиночный фотон в таком режиме способен вызвать ла-

Глава 2. Модель ЛФДв режиме детектирования фотонов
ния на 2 В меньшим напряжения пробоя. Тогда вероятность инициирования лавины дыркой равна Рд — 0,17, а электроном Р, — 0,2(3.
• Вероятность образования электронно-дырочной пары при попадании фотона в ЛФД Рн = 0,8. Эта вероятность равна квинтовой эффективности в линейном режиме работы ЛФД. В итоге, максимальная квантовая эффективность в стробируемом режиме Q — РДР„ — 13,6% при вероятности темпового отсчета Рто — РГР4 — 3.3- 10 к.