eng
Выпуск #7/2018
С. В. Алферов, К. А. Балыгин А. В. Борисова, А. Г. Втюрина, А. Н. Климов
Характеристики InGaAs/InP однофотонных лавинных детекторов производства корейской фирмы WOORIRO
Характеристики InGaAs/InP однофотонных лавинных детекторов производства корейской фирмы WOORIRO
Просмотры: 3607
В статье представлены результаты тестирования новых однофотонных лавинных фотодетекторов (SPAD) производителя Wooriro (Корея). Были измерены: квантовая эффективность, скорость темнового счета и вероятность послеимпульсов. Сравнение исследуемых детекторов с закрепившимися на рынке детекторами производства фирмы Princeton Lightwave (США) позволяет сделать вывод о применимости однофотонных лавинных фотодетекторов (ЛФД) Wooriro в системах квантового распределения ключей (QKD).
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.7.662.666
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.7.662.666
Теги: dark count rate probability of afterpulsing quantum efficiency quantum key distribution single-photon avalanche photodetectors (spad) single-photon detectors вероятность послеимпульсов квантовая эффективность квантовое распределение ключей лавинные фотодетекторы (лфд) однофотонные детекторы скорость темнового счета
ВВЕДЕНИЕ
Однофотонные детекторы (SPD) все чаще используются в таких областях, как квантовое распределение ключей (QKD) [1, 2], позитронно-эмиссионная томография [3], оптическая рефлектометрия [4] и биомедицинские исследования [5]. В настоящее время известны различные устройства и методы детектирования единичных фотонов, например, фотоэлектронные умножители, однофотонные лавинные фотодиоды (SPAD, ЛФД) [6], детекторы на основе генерации суммарных частот (ап-конверсии) [7], сверхпроводящие тонкопленочные наноструктуры (SSPD) [8] и SPD на квантовых точках и полупроводниковых дефектах [9]. Приведенные классы устройств различаются по конструктивным особенностям, по спектральному диапазону чувствительности, по квантовой эффективности и способности различать одиночные фотоны.
В последнее время протяженные и высокоскоростные системы QKD стимулировали развитие высокоскоростных однофотонных детекторов ближнего ИК-диапазона. Для применения в задачах квантовой криптографии SPD должны обладать высокой эффективностью детектирования, высоким отношением сигнал / шум, малым мертвым временем, низким джиттером и способностью различать количество фотонов [10]. Подходящими кандидатами являются сверхпроводящие однофотонные детекторы SSPD, детекторы на основе ап-конверсии и однофотонные ЛФД. Однако использование SSPD требует обеспечения криогенных температур (4K), а детекторы на основе ап-конверсии обладают паразитным нелинейным шумом.
С другой стороны, InGaAs / InP однофотонные лавинные диоды имеют высокую эффективность детектирования фотонов (PDE) и низкую скорость темнового счета (DCR) в ближнем ИК-диапазоне длин волн от 1,0 до 1,7 мкм и не требуют охлаждения до криогенных температур [11, 12]. Однако возникновение послеимпульсов (afterpulsing) значительно ограничивает производительность инфракрасных ЛФД, особенно в высокоскоростных системах. Кроме того, стоимость однофотонных лавинных фотодиодов в настоящее время еще достаточно высока. Таким образом, в силу наибольших перспектив практического применения однофотонных ЛФД исследование их характеристик является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена измерению характеристик однофотонных ЛФД и поиску оптимальных параметров их работы. Для исследований взяты существующие на рынке лавинные фотодетекторы для счета одиночных фотонов двух производителей: WPACBGMACNN Wooriro (Корея) и PGA‑016u‑1550TFZ Princeton Lightwave (США). Регистрировались их квантовые эффективности при разных напряжениях смещения, а затем характеристики скорости темнового счета и вероятности послеимпульсов в зависимости от квантовой эффективности при различных температурах. По результатам исследований проведено сравнение моделей ЛФД. Приведенные характеристики можно использовать при выборе оптимальных параметров работы ЛФД для конкретных применений.
Далее описывается схема и результаты измерений следующих характеристик:
1. Зависимость квантовой эффективности от изменения напряжения смещения при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C;
2. Зависимость скорости темнового счета от значения квантовой эффективности при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C;
3. Зависимость вероятности послеимпульсов от квантовой эффективности для различных частот следования импульсов при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C.
СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА
Традиционным подходом к измерению характеристик однофотонных ЛФД является метод замещения, основанный на сравнении показаний эталонного устройства с тестируемым. В случае исследования и калибровки однофотонных детекторов лазерное излучение, мощность которого измерена калиброванным фотодетектором и затем ослаблена калиброванным аттенюатором до уровня одиночных фотонов, регистрируется тестируемым лавинным фотодиодом.
Функциональная схема измерений представлена на рис. 1. Основными ее элементами являются DFB-лазер непрерывной генерации (CW-лазер) на длине волны 1550 нм, управляемый аттенюатор с максимальным ослаблением 60 дБ и непосредственно модуль регистрации однофотонных сигналов, попадающих во временные ворота. В состав последнего входит исследуемый лавинный фотодиод (SPAD). Подробное описание принципа работы модуля регистрации однофотонных сигналов представлено в статье [13].
Лазер и аттенюатор предназначены для формирования квазиоднофотонного излучения. В качестве CW-лазера использовался лазерный источник Thorlabs S1FC1550PM, излучение которого затем ослаблялось переменным аттенюатором Exfo FVA‑3100, максимальные вносимые потери которого составляют 60 дБ, а минимальные – 0,07 дБ. Мощность излучения лазера подбиралась таким образом, чтобы за интервал времени, равный длительности временных ворот τв, на ЛФД падал в среднем µ = 0,1 фотон.
Длительность временных ворот на протяжении всех измерений составляла τв = 1 нс, следовательно, требуемая мощность падающего на ЛФД излучения должна составлять:
Вт, (1)
где µ – среднее число фотонов, попадающих во временные ворота, hν – энергия одного фотона. Аттенюатор был отрегулирован на максимальное ослабление излучения, то есть на 60 дБ, следовательно, мощность лазера должна составлять:
мкВт. (2)
Модуль регистрации однофотонных сигналов позволяет управлять следующими параметрами (в скобках указаны значения, устанавливаемые для проведения эксперимента):
• напряжением смещения ЛФД – Uсм, В;
• длительностью временных ворот (фв = 1 нс);
• температурой ЛФД (–40 °C, –50 °C, –60 °C);
• длительностью мертвого времени (10 нс);
• частотой импульсов стробирования;
• порогом срабатывания дискриминатора (70,2 мВ).
Таким образом, на чувствительную площадку попадает непрерывное лазерное излучение с плотностью потока фотонов 0,1 фотон / нс, ЛФД работает в режиме стробирования: длительность импульса строба составляет 2 нс, а частота следования импульсов имеет возможность регулирования. При этом регистрируются только фотоны, попавшие во временные ворота. После регистрации очередного фотона стробирующие импульсы на ЛФД не подаются в течение 10 нс.
ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Эффективность детектирования – это отношение количества зарегистрированных событий к количеству падающих фотонов. Эффективность детектирования может быть измерена путем отправки одиночных фотонов с известной частотой повторения и измерения количества срабатываний модуля регистрации. В данной работе исследуются модули ЛФД, не способные различать количество фотонов в импульсе, то есть одинаково реагирующие срабатыванием на любое число падающих фотонов, отличное от нуля. Так как процесс регистрации срабатываний детектора относится к испытаниям Бернулли, а статистика распределения фотонов в импульсе описывается пуассоновским распределением, то, согласно статье [14], случайный процесс детектирования фотона также описывается пуассоновским распределением. В этом случае вероятность детектирования фотона ЛФД связана с квантовой эффективностью следующей формулой:
, (3)
где µ – среднее число фотонов в импульсе, η – квантовая эффективность ЛФД.
Таким образом, измерив частоту срабатываний детектора (счетность) pi, которая при большом числе посланных импульсов стремится к вероятности детектирования, можно по формуле (3) рассчитать квантовую эффективность.
При измерениях вероятности детектирования необходимо учитывать вклад темнового шума и эффекта послеимпульсов. Эти помехи удобно характеризовать вероятностью темнового отсчета pdark и вероятностью возникновения послеимпульса pap соответственно. Все три величины связаны выражением:
, (4)
где pi – текущая счетность фотодетектора (отношение количества срабатываний к количеству посланных строб-импульсов).
При допущении, что на низких частотах вероятность послеимпульсов стремится к нулю [15] (pap|10kHz≈ 0), а квантовая эффективность не зависит от частоты импульсов стробирования, вероятность детектирования можно определить, зная счетность и вероятность темнового счета при одной низкой частоте. По этой причине для измерения квантовой эффективности в зависимости напряжения смещения частота стробирующих импульсов устанавливалась равной 10 кГц и вероятность детектирования рассчитывалась по формуле:
pdet= pi|10kHz − pdark |10кГц , (5)
где – частота отсчетов фотодетектора при частоте импульсов f, отсч. / импульс. Результаты расчетов квантовой эффективности представлены на рис. 2 и рис. 3.
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕМНОВОГО СЧЕТА
Скорость темнового счета (DCR) измеряется путем регистрации количества срабатываний детектора, попадающих во временные ворота, при отсутствии потока фотонов на фоточувствительную площадку ЛФД. Поэтому при данных измерениях вход модуля регистрации однофотонных сигналов закрывался черной заглушкой от попадания на него излучения.
Частота импульсов стробирования при измерении темнового счета составляла 1 МГц, так как при данной частоте набирается статистика срабатываний по большому числу стробирующих импульсов, что увеличивает точность измерений, а влияние вероятности возникновения послеимпульсов, как будет показано позднее, минимально.
Как видно из графиков, представленных на рис. 4, скорости темнового счета ЛФД производства фирм Wooriro и Princeton Lightwave при температуре t = –50 °C сопоставимы между собой и не превышают 3,2· 1 0–6 отсч. / импульс.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПОСЛЕИМПУЛЬСОВ
Как отмечалось ранее, эффект появления послеимпульсов характеризуется вероятностью pap. Эта величина связана с текущей счетностью на частоте f, , вероятностью детектирования pdet (см. форм. 3) и скоростью (вероятностью) темнового счета pdark (см. форм. 4) и может быть выражена из нее следующим образом:
. (6)
Вероятность детектирования и скорость темнового счета были измерены ранее, поэтому для того, чтобы измерить вероятность послеимпульсов в зависимости от длительности интервала времени после срабатывания детектора, необходимо измерить счетность однофотонного ЛФД при разных частотах следования стробирующих импульсов. Нами измерялась счетность на следующих частотах: 100 кГц; 1 МГц; 2,5 МГц; 5 МГц; 6,25 МГц; 7,5 МГц и 10 МГц. Результаты исследования ЛФД WPACBGMACNN Wooriro при разных температурах показаны на рис. 5.
По совокупности характеристик, приведенных на рис. 5, можно определять оптимальные параметры работы однофотонных ЛФД для конкретных применений. При работе однофотонного фотодетектора в системах квантового распределения ключей наиболее важным является уровень темновых шумов, поскольку он определяет величину ошибки в квантовом ключе.
Примерные оптимальные параметры однофотонного ЛФД для применения в системах квантового распределения ключей: уровень темновых шумов 2 · 10–6 при квантовой эффективности 20%. Данным параметрам соответствуют следующие условия включения ЛФД WPACBGMACNN: температура ЛФД –50 °C, напряжение смещения 68,8 В. В этом случае вероятность послеимпульсов составляет 8% при частоте стробирующих импульсов 10 МГц и менее 1% при частоте 1 МГц.
Стоит также отметить, что протестированный в данной работе ЛФД фирмы Wooriro по характеристике вероятности (скорости) темнового счета не уступает широко применяемым однофотонным детекторам производителя Princeton Lightwave.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках данной работы были исследованы характеристики однофотонных лавинных фотодиодов производителя Wooriro. Результаты тестирования позволяют сделать вывод о применимости данных детекторов в различных сферах, в частности в системах квантового распределения ключей. По приведенным в статье характеристикам можно осуществлять выбор рабочих параметров ЛФД для решения различных задач. Сравнение ЛФД WPACBGMACNN Wooriro (Корея) с ЛФД PGA‑016u‑1550TFZ Princeton Lightwave (США) по скорости темнового счета и квантовой эффективности показало, что протестированный однофотонный детектор производителя Wooriro не уступает широко распространенным детекторам Princeton Lightwave.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку исследований по проекту Минобрнауки РФ (проект 03.G25.31.0254), в рамках которого была разработана схема измерений характеристик ЛФД.
Компания "ОЭС Спецпоставка" представляет весь спектр продукции Wooriro на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., et al. Quantum cryptography // Rev. Mod. Phys., 2002, v.74: p.145–195.
2. Zhou C. Y., Wu G., Chen X. L., et al. Quantum key distribution in 50-km optic fibers// Sci China, Ser G-Phys Mech Astron, 2004, v.47: 82–188.
3. Spanoudaki V. C., Mann A. B., Otte A. N., et al. Use of single photon counting detector arrays in combined PET / MR: Characterization of LYSO-SiPM detector modules and comparison with a LSO-APD detector // J Instrum, 2007, v.2: 12002.
4. Lacaita A., Francese P., Cova S., et al. Single-photon optical-timedomain reflectometer at 1.3 µm with 5-cm resolution and high sensitivity// Opt Lett, 1993, v.18: 1110–1112.
5. Suhling K, Siegel J, Phillips D, et al. Imaging the environment of green fluorescent protein// Biophys J, 2002, v.83: 3589–3595.
6. Liang Y., Zeng H. P. Single-photon detection and its applications //SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy. – 2014. – Т. 57. – № . 7. – С. 1218–1232.
7. Gu X, Huang K, Li Y, et al. Temporal and spectral control of single- photon frequency upconversion for pulsed radiation. Appl Phys Lett, 2010, 96: 131111
8. Li H J, Wang Y W, Wei L F, et al. Experimental demonstrations of high-Q superconducting coplanar waveguide resonators. Chin Sci. Bull, 2013, 58: 2413–2417
9. Gansen E J, Rowe M A, Greene M B, et al. Photon-numberdiscriminatin detection using a quantumdot, optically gated, fieldeffect transistor. Nat Photonics, 2007, 1: 585–588
10. Hu C., Zheng X., Campbell J. C., Onat B. M., Jiang X., Itzler M. A. Characterization of an InGaAs / InP-based single-photon avalanche diode with gated-passive quenching with active reset circuit //Journal of Modern Optics. – 2011. – Т. 58. – № . 3–4. – С. 201–209.
11. Liu M., Hu C., Bai X., Guo X., Campbell J. C., Pan Z., Tashima M. M. // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2007, v,13, p.887–894.
12. Tosi A., Mora A. D., Zappa F., Cova S. J. // Mod. Opt. 2009, v.56, p.299–308.
13. Balygin K. A., Zaitsev V. I., Klimov A. I., Klimov A. N., Kulik S. P., Molotkov S. N. A Single-Photon Detector Module // Instruments and Experimental Techniques, 2018, v.61, № 4, p.691–695. DOI: 10.1134 / S0020441218040139.
14. Chunnilall C.J., Degiovanni I. P., Kück S., Müller I., Sinclair A. G. Metrology of single-photon sources and detectors: a review // Optical Engineering, 2014, v.53, № . 8, p. 081910. DOI: 10.1117 / 1.OE.53.8.081910.
15. Kang Y., Lu H. X., Lo Y.-H., Bethune D. S., Risk W. P. Dark count probability and quantum efficiency of avalanche photodiodes for single-photon detection // Appl. Phys. Lett., 2003, v.83(14), p.2955–2957.
Однофотонные детекторы (SPD) все чаще используются в таких областях, как квантовое распределение ключей (QKD) [1, 2], позитронно-эмиссионная томография [3], оптическая рефлектометрия [4] и биомедицинские исследования [5]. В настоящее время известны различные устройства и методы детектирования единичных фотонов, например, фотоэлектронные умножители, однофотонные лавинные фотодиоды (SPAD, ЛФД) [6], детекторы на основе генерации суммарных частот (ап-конверсии) [7], сверхпроводящие тонкопленочные наноструктуры (SSPD) [8] и SPD на квантовых точках и полупроводниковых дефектах [9]. Приведенные классы устройств различаются по конструктивным особенностям, по спектральному диапазону чувствительности, по квантовой эффективности и способности различать одиночные фотоны.
В последнее время протяженные и высокоскоростные системы QKD стимулировали развитие высокоскоростных однофотонных детекторов ближнего ИК-диапазона. Для применения в задачах квантовой криптографии SPD должны обладать высокой эффективностью детектирования, высоким отношением сигнал / шум, малым мертвым временем, низким джиттером и способностью различать количество фотонов [10]. Подходящими кандидатами являются сверхпроводящие однофотонные детекторы SSPD, детекторы на основе ап-конверсии и однофотонные ЛФД. Однако использование SSPD требует обеспечения криогенных температур (4K), а детекторы на основе ап-конверсии обладают паразитным нелинейным шумом.
С другой стороны, InGaAs / InP однофотонные лавинные диоды имеют высокую эффективность детектирования фотонов (PDE) и низкую скорость темнового счета (DCR) в ближнем ИК-диапазоне длин волн от 1,0 до 1,7 мкм и не требуют охлаждения до криогенных температур [11, 12]. Однако возникновение послеимпульсов (afterpulsing) значительно ограничивает производительность инфракрасных ЛФД, особенно в высокоскоростных системах. Кроме того, стоимость однофотонных лавинных фотодиодов в настоящее время еще достаточно высока. Таким образом, в силу наибольших перспектив практического применения однофотонных ЛФД исследование их характеристик является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена измерению характеристик однофотонных ЛФД и поиску оптимальных параметров их работы. Для исследований взяты существующие на рынке лавинные фотодетекторы для счета одиночных фотонов двух производителей: WPACBGMACNN Wooriro (Корея) и PGA‑016u‑1550TFZ Princeton Lightwave (США). Регистрировались их квантовые эффективности при разных напряжениях смещения, а затем характеристики скорости темнового счета и вероятности послеимпульсов в зависимости от квантовой эффективности при различных температурах. По результатам исследований проведено сравнение моделей ЛФД. Приведенные характеристики можно использовать при выборе оптимальных параметров работы ЛФД для конкретных применений.
Далее описывается схема и результаты измерений следующих характеристик:
1. Зависимость квантовой эффективности от изменения напряжения смещения при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C;
2. Зависимость скорости темнового счета от значения квантовой эффективности при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C;
3. Зависимость вероятности послеимпульсов от квантовой эффективности для различных частот следования импульсов при температурах: t = –40 °C; t = –50 °C; t = –60 °C.
СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА
Традиционным подходом к измерению характеристик однофотонных ЛФД является метод замещения, основанный на сравнении показаний эталонного устройства с тестируемым. В случае исследования и калибровки однофотонных детекторов лазерное излучение, мощность которого измерена калиброванным фотодетектором и затем ослаблена калиброванным аттенюатором до уровня одиночных фотонов, регистрируется тестируемым лавинным фотодиодом.
Функциональная схема измерений представлена на рис. 1. Основными ее элементами являются DFB-лазер непрерывной генерации (CW-лазер) на длине волны 1550 нм, управляемый аттенюатор с максимальным ослаблением 60 дБ и непосредственно модуль регистрации однофотонных сигналов, попадающих во временные ворота. В состав последнего входит исследуемый лавинный фотодиод (SPAD). Подробное описание принципа работы модуля регистрации однофотонных сигналов представлено в статье [13].
Лазер и аттенюатор предназначены для формирования квазиоднофотонного излучения. В качестве CW-лазера использовался лазерный источник Thorlabs S1FC1550PM, излучение которого затем ослаблялось переменным аттенюатором Exfo FVA‑3100, максимальные вносимые потери которого составляют 60 дБ, а минимальные – 0,07 дБ. Мощность излучения лазера подбиралась таким образом, чтобы за интервал времени, равный длительности временных ворот τв, на ЛФД падал в среднем µ = 0,1 фотон.
Длительность временных ворот на протяжении всех измерений составляла τв = 1 нс, следовательно, требуемая мощность падающего на ЛФД излучения должна составлять:
Вт, (1)
где µ – среднее число фотонов, попадающих во временные ворота, hν – энергия одного фотона. Аттенюатор был отрегулирован на максимальное ослабление излучения, то есть на 60 дБ, следовательно, мощность лазера должна составлять:
мкВт. (2)
Модуль регистрации однофотонных сигналов позволяет управлять следующими параметрами (в скобках указаны значения, устанавливаемые для проведения эксперимента):
• напряжением смещения ЛФД – Uсм, В;
• длительностью временных ворот (фв = 1 нс);
• температурой ЛФД (–40 °C, –50 °C, –60 °C);
• длительностью мертвого времени (10 нс);
• частотой импульсов стробирования;
• порогом срабатывания дискриминатора (70,2 мВ).
Таким образом, на чувствительную площадку попадает непрерывное лазерное излучение с плотностью потока фотонов 0,1 фотон / нс, ЛФД работает в режиме стробирования: длительность импульса строба составляет 2 нс, а частота следования импульсов имеет возможность регулирования. При этом регистрируются только фотоны, попавшие во временные ворота. После регистрации очередного фотона стробирующие импульсы на ЛФД не подаются в течение 10 нс.
ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Эффективность детектирования – это отношение количества зарегистрированных событий к количеству падающих фотонов. Эффективность детектирования может быть измерена путем отправки одиночных фотонов с известной частотой повторения и измерения количества срабатываний модуля регистрации. В данной работе исследуются модули ЛФД, не способные различать количество фотонов в импульсе, то есть одинаково реагирующие срабатыванием на любое число падающих фотонов, отличное от нуля. Так как процесс регистрации срабатываний детектора относится к испытаниям Бернулли, а статистика распределения фотонов в импульсе описывается пуассоновским распределением, то, согласно статье [14], случайный процесс детектирования фотона также описывается пуассоновским распределением. В этом случае вероятность детектирования фотона ЛФД связана с квантовой эффективностью следующей формулой:
, (3)
где µ – среднее число фотонов в импульсе, η – квантовая эффективность ЛФД.
Таким образом, измерив частоту срабатываний детектора (счетность) pi, которая при большом числе посланных импульсов стремится к вероятности детектирования, можно по формуле (3) рассчитать квантовую эффективность.
При измерениях вероятности детектирования необходимо учитывать вклад темнового шума и эффекта послеимпульсов. Эти помехи удобно характеризовать вероятностью темнового отсчета pdark и вероятностью возникновения послеимпульса pap соответственно. Все три величины связаны выражением:
, (4)
где pi – текущая счетность фотодетектора (отношение количества срабатываний к количеству посланных строб-импульсов).
При допущении, что на низких частотах вероятность послеимпульсов стремится к нулю [15] (pap|10kHz≈ 0), а квантовая эффективность не зависит от частоты импульсов стробирования, вероятность детектирования можно определить, зная счетность и вероятность темнового счета при одной низкой частоте. По этой причине для измерения квантовой эффективности в зависимости напряжения смещения частота стробирующих импульсов устанавливалась равной 10 кГц и вероятность детектирования рассчитывалась по формуле:
pdet= pi|10kHz − pdark |10кГц , (5)
где – частота отсчетов фотодетектора при частоте импульсов f, отсч. / импульс. Результаты расчетов квантовой эффективности представлены на рис. 2 и рис. 3.
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕМНОВОГО СЧЕТА
Скорость темнового счета (DCR) измеряется путем регистрации количества срабатываний детектора, попадающих во временные ворота, при отсутствии потока фотонов на фоточувствительную площадку ЛФД. Поэтому при данных измерениях вход модуля регистрации однофотонных сигналов закрывался черной заглушкой от попадания на него излучения.
Частота импульсов стробирования при измерении темнового счета составляла 1 МГц, так как при данной частоте набирается статистика срабатываний по большому числу стробирующих импульсов, что увеличивает точность измерений, а влияние вероятности возникновения послеимпульсов, как будет показано позднее, минимально.
Как видно из графиков, представленных на рис. 4, скорости темнового счета ЛФД производства фирм Wooriro и Princeton Lightwave при температуре t = –50 °C сопоставимы между собой и не превышают 3,2· 1 0–6 отсч. / импульс.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПОСЛЕИМПУЛЬСОВ
Как отмечалось ранее, эффект появления послеимпульсов характеризуется вероятностью pap. Эта величина связана с текущей счетностью на частоте f, , вероятностью детектирования pdet (см. форм. 3) и скоростью (вероятностью) темнового счета pdark (см. форм. 4) и может быть выражена из нее следующим образом:
. (6)
Вероятность детектирования и скорость темнового счета были измерены ранее, поэтому для того, чтобы измерить вероятность послеимпульсов в зависимости от длительности интервала времени после срабатывания детектора, необходимо измерить счетность однофотонного ЛФД при разных частотах следования стробирующих импульсов. Нами измерялась счетность на следующих частотах: 100 кГц; 1 МГц; 2,5 МГц; 5 МГц; 6,25 МГц; 7,5 МГц и 10 МГц. Результаты исследования ЛФД WPACBGMACNN Wooriro при разных температурах показаны на рис. 5.
По совокупности характеристик, приведенных на рис. 5, можно определять оптимальные параметры работы однофотонных ЛФД для конкретных применений. При работе однофотонного фотодетектора в системах квантового распределения ключей наиболее важным является уровень темновых шумов, поскольку он определяет величину ошибки в квантовом ключе.
Примерные оптимальные параметры однофотонного ЛФД для применения в системах квантового распределения ключей: уровень темновых шумов 2 · 10–6 при квантовой эффективности 20%. Данным параметрам соответствуют следующие условия включения ЛФД WPACBGMACNN: температура ЛФД –50 °C, напряжение смещения 68,8 В. В этом случае вероятность послеимпульсов составляет 8% при частоте стробирующих импульсов 10 МГц и менее 1% при частоте 1 МГц.
Стоит также отметить, что протестированный в данной работе ЛФД фирмы Wooriro по характеристике вероятности (скорости) темнового счета не уступает широко применяемым однофотонным детекторам производителя Princeton Lightwave.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках данной работы были исследованы характеристики однофотонных лавинных фотодиодов производителя Wooriro. Результаты тестирования позволяют сделать вывод о применимости данных детекторов в различных сферах, в частности в системах квантового распределения ключей. По приведенным в статье характеристикам можно осуществлять выбор рабочих параметров ЛФД для решения различных задач. Сравнение ЛФД WPACBGMACNN Wooriro (Корея) с ЛФД PGA‑016u‑1550TFZ Princeton Lightwave (США) по скорости темнового счета и квантовой эффективности показало, что протестированный однофотонный детектор производителя Wooriro не уступает широко распространенным детекторам Princeton Lightwave.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку исследований по проекту Минобрнауки РФ (проект 03.G25.31.0254), в рамках которого была разработана схема измерений характеристик ЛФД.
Компания "ОЭС Спецпоставка" представляет весь спектр продукции Wooriro на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., et al. Quantum cryptography // Rev. Mod. Phys., 2002, v.74: p.145–195.
2. Zhou C. Y., Wu G., Chen X. L., et al. Quantum key distribution in 50-km optic fibers// Sci China, Ser G-Phys Mech Astron, 2004, v.47: 82–188.
3. Spanoudaki V. C., Mann A. B., Otte A. N., et al. Use of single photon counting detector arrays in combined PET / MR: Characterization of LYSO-SiPM detector modules and comparison with a LSO-APD detector // J Instrum, 2007, v.2: 12002.
4. Lacaita A., Francese P., Cova S., et al. Single-photon optical-timedomain reflectometer at 1.3 µm with 5-cm resolution and high sensitivity// Opt Lett, 1993, v.18: 1110–1112.
5. Suhling K, Siegel J, Phillips D, et al. Imaging the environment of green fluorescent protein// Biophys J, 2002, v.83: 3589–3595.
6. Liang Y., Zeng H. P. Single-photon detection and its applications //SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy. – 2014. – Т. 57. – № . 7. – С. 1218–1232.
7. Gu X, Huang K, Li Y, et al. Temporal and spectral control of single- photon frequency upconversion for pulsed radiation. Appl Phys Lett, 2010, 96: 131111
8. Li H J, Wang Y W, Wei L F, et al. Experimental demonstrations of high-Q superconducting coplanar waveguide resonators. Chin Sci. Bull, 2013, 58: 2413–2417
9. Gansen E J, Rowe M A, Greene M B, et al. Photon-numberdiscriminatin detection using a quantumdot, optically gated, fieldeffect transistor. Nat Photonics, 2007, 1: 585–588
10. Hu C., Zheng X., Campbell J. C., Onat B. M., Jiang X., Itzler M. A. Characterization of an InGaAs / InP-based single-photon avalanche diode with gated-passive quenching with active reset circuit //Journal of Modern Optics. – 2011. – Т. 58. – № . 3–4. – С. 201–209.
11. Liu M., Hu C., Bai X., Guo X., Campbell J. C., Pan Z., Tashima M. M. // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2007, v,13, p.887–894.
12. Tosi A., Mora A. D., Zappa F., Cova S. J. // Mod. Opt. 2009, v.56, p.299–308.
13. Balygin K. A., Zaitsev V. I., Klimov A. I., Klimov A. N., Kulik S. P., Molotkov S. N. A Single-Photon Detector Module // Instruments and Experimental Techniques, 2018, v.61, № 4, p.691–695. DOI: 10.1134 / S0020441218040139.
14. Chunnilall C.J., Degiovanni I. P., Kück S., Müller I., Sinclair A. G. Metrology of single-photon sources and detectors: a review // Optical Engineering, 2014, v.53, № . 8, p. 081910. DOI: 10.1117 / 1.OE.53.8.081910.
15. Kang Y., Lu H. X., Lo Y.-H., Bethune D. S., Risk W. P. Dark count probability and quantum efficiency of avalanche photodiodes for single-photon detection // Appl. Phys. Lett., 2003, v.83(14), p.2955–2957.
Отзывы читателей
