本發(fā)明涉及一種單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，屬于微光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

單光子探測(cè)技術(shù)，是檢測(cè)微弱光信號(hào)的有力手段，在量子通信、激光測(cè)距等都有廣泛的應(yīng)用。目前限制單光子探測(cè)器量子效率的主要因素是暗計(jì)數(shù)和后脈沖，是導(dǎo)致量子通信中誤碼率的重要因素。光電探測(cè)器件(如雪崩光電二極管)是單光子探測(cè)器的一個(gè)重要組成部分，與探測(cè)器暗計(jì)數(shù)、后脈沖概率對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別是暗電流以及被俘獲載流子的再釋放產(chǎn)生的電流，因此，為了減小單光子探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率，就要分析雪崩二極管暗電流的來(lái)源，研究減小暗電流、后脈沖效應(yīng)的方法，才能提高單光子探測(cè)器的性能。工作于蓋革模式下的單光子探測(cè)器的噪聲主要來(lái)源于三類：熱噪聲引起的隨機(jī)噪聲、高反偏壓下載流子發(fā)生隧穿效應(yīng)造成雪崩、俘獲中心再釋放載流子即后脈沖效應(yīng)。后脈沖效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上較為容易區(qū)分，而熱噪聲和隧穿電流雖然在理論上有嚴(yán)格的公式推導(dǎo)，但在實(shí)驗(yàn)上分別得到還是較為困難。確定暗電流的構(gòu)成也是當(dāng)下單光子領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)。

雪崩二極管是一種靈敏度極高的二極管，稍大的電流就可以使之毀壞，因此在對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)一定要注意對(duì)電流的限制。現(xiàn)有的靜態(tài)測(cè)試中，其I-V、C-V曲線需要借助于半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，但是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；也可以借助數(shù)字源表，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但是不能得到C-V曲線。而對(duì)于溫度的控制需要借助于變溫電路，目前主要采用半導(dǎo)體制冷，制冷速度快且成本低。單光子探測(cè)器通常要包含光電探測(cè)器件(如雪崩光電二極管)、器件驅(qū)動(dòng)電路和輸出信號(hào)提取電路，對(duì)其整個(gè)系統(tǒng)的暗計(jì)數(shù)等的測(cè)試稱之為動(dòng)態(tài)測(cè)試。而對(duì)于同樣的雪崩二極管而言，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的測(cè)試得到的結(jié)果是不一樣的，靜態(tài)測(cè)試可以得到總的暗電流，而動(dòng)態(tài)測(cè)試可以得到暗計(jì)數(shù)特征。且靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于很多參數(shù)的定義方式有較大差別，如雪崩擊穿電壓。在靜態(tài)測(cè)試中，雪崩擊穿電壓為雪暗電流達(dá)到某一值時(shí)的偏置電壓值；而在動(dòng)態(tài)電路中，為第一次出現(xiàn)超過(guò)某一輸出脈沖時(shí)的偏置電壓值。事實(shí)證明，這兩者差異很大。因此，有必要聯(lián)合測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)高效精確測(cè)量的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，該測(cè)試方法將動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試簡(jiǎn)潔高效地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的統(tǒng)一調(diào)試，以達(dá)到確定暗電流構(gòu)成的目的。

本發(fā)明克服其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)，包括數(shù)字源表、變溫裝置、測(cè)試電路和示波器，雪崩二極管放置于變溫裝置中的保溫盒中，雪崩二極管的陰極與數(shù)字源表的輸出端連接、雪崩二極管的陽(yáng)極與測(cè)試電路的輸入端連接，雪崩二極管的輸出波形連接至示波器的輸入端，測(cè)試電路的輸出端連接至計(jì)算機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，數(shù)字源表采用Keithley 2400數(shù)字源表。

本發(fā)明還提供了一種利用上述單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，步驟如下：

S1、固定一個(gè)溫度值，該溫度取值范圍為-50℃～20℃，數(shù)字源表對(duì)雪崩二極管加偏壓，觀察數(shù)字源表上的電流示數(shù)、示波器顯示波形和計(jì)算機(jī)采集的暗計(jì)數(shù)；

S2、逐漸增大偏壓至雪崩擊穿電壓，這時(shí)數(shù)字源表上顯示的電流逐漸變大，同時(shí)示波器上顯示的波形開始出現(xiàn)雪崩脈沖，暗計(jì)數(shù)也出現(xiàn)非0的數(shù)字；雪崩擊穿電壓狀態(tài)下，數(shù)字源表上顯示的電流為總的暗電流I_dark，示波器上出現(xiàn)的雪崩電壓波形通過(guò)歐姆定律計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的電流值，對(duì)電流曲線進(jìn)行積分，得到單個(gè)雪崩電荷量Q，

其中，T₁代表雪崩信號(hào)開始出現(xiàn)時(shí)示波器所顯示的時(shí)刻，T₂代表雪崩信號(hào)即將消失時(shí)所顯示的時(shí)刻；

S3、從測(cè)試電路得到暗計(jì)數(shù)的數(shù)值n，然后得到總雪崩電荷量Q_a為單個(gè)雪崩電荷量Q與暗計(jì)數(shù)值n的乘積，進(jìn)而得到雪崩暗電流I_a，

即，I_a是由于熱噪聲和隧穿效應(yīng)引起的暗電流與后脈沖引起的暗電流之和，其中，τ為死時(shí)間；

S4、確定暗電流的構(gòu)成以及暗電流的測(cè)試：未參與雪崩的暗電流I_b主要由表面漏電流引起，雪崩暗電流I_a主要由熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c構(gòu)成；

S4.1、未參與雪崩的暗電流I_b：

總暗電流I_dark減去雪崩暗電流I_a即為未參與雪崩的暗電流I_b；

S4.2、熱噪聲引起的暗電流I_th：

在勢(shì)壘寬度不變的情況下，貫穿系數(shù)與耗盡區(qū)電場(chǎng)有關(guān)，即隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT僅與過(guò)偏壓有關(guān)，而后脈沖可通過(guò)死時(shí)間τ調(diào)節(jié)，當(dāng)τ≥20μs時(shí)，后脈沖可以忽略，因此，可通過(guò)固定過(guò)偏壓和設(shè)置≥20μs的死時(shí)間τ，隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT在雪崩暗電流I_a中的數(shù)值是固定的，后脈沖引起的暗電流I_c可忽略不計(jì)，進(jìn)而即可從I_a中分離出I_th：固定過(guò)偏壓和設(shè)置≥20μs的死時(shí)間τ，不斷降低溫度，得到不同溫度下的暗計(jì)數(shù)，擬合后得到暗計(jì)數(shù)與溫度T的關(guān)系曲線，通過(guò)暗計(jì)數(shù)可得到I_a的值，進(jìn)而可以得到I_a與溫度T的關(guān)系曲線，代表不同溫度下的I_a的差值即為相應(yīng)溫度變化下熱噪聲的變化，然后與理論上熱噪聲曲線進(jìn)行比較；

S4.3、隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT：

當(dāng)溫度≤-40℃時(shí)，熱噪聲導(dǎo)致的暗電流I_th可以忽略，這時(shí)可以得到隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c；在溫度≤-20℃、過(guò)偏壓≥3V時(shí)，增大死時(shí)間τ至≥20μs，可以忽略后脈沖引起的電流，即可分離得到遂穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT；

S4.4、后脈沖引起的暗電流I_c：

根據(jù)步驟S4.2和S4.3的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)雪崩暗電流I_a減去熱噪聲導(dǎo)致的暗電流I_th和隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT，得到后脈沖引起的暗電流I_c。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟S4.2中，若得到的實(shí)測(cè)熱噪聲曲線與理論熱噪聲曲線的趨勢(shì)相同且數(shù)值差異在允許范圍內(nèi)，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確；若數(shù)值差異超過(guò)允許范圍，則繼續(xù)增大死時(shí)間、降低溫度，再進(jìn)行比較，直到得到在允許范圍內(nèi)的結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果是：

由于不同溫度、不同過(guò)偏壓和不同死時(shí)間下，暗電流的構(gòu)成會(huì)有變化，本發(fā)明通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方法(即動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試聯(lián)合起來(lái))將其分開，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合的實(shí)時(shí)調(diào)試；并確定了暗電流的構(gòu)成，且該確定暗電流構(gòu)成的方法容易實(shí)現(xiàn)，因此，暗電流構(gòu)成不僅僅上理論計(jì)算，實(shí)驗(yàn)上也容易證明。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、數(shù)字源表；2、變溫裝置；3、測(cè)試電路；4、示波器；5、計(jì)算機(jī)。

圖2為過(guò)偏壓為0.2V，經(jīng)過(guò)100倍放大后從示波器得到的雪崩信號(hào)曲線圖。圖中，縱坐標(biāo)為電壓，每格代表20mV；橫坐標(biāo)為時(shí)間，每格代表50ns。

圖3為過(guò)偏壓為1.5V、2.0V、2.5V、3.0V情況下暗計(jì)數(shù)與溫度T的關(guān)系曲線圖。圖中，縱坐標(biāo)為暗計(jì)數(shù)；橫坐標(biāo)為溫度。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，下述僅是示例性的不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1、

本發(fā)明所述的單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，包括數(shù)字源表1、變溫裝置2、測(cè)試電路3和示波器4，數(shù)字源表1采用Keithley 2400數(shù)字源表，示波器4不需要使用較貴的電流探針，直接對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)試，示波器有50Ω的阻抗匹配，很容易由歐姆定律得到電流變化，數(shù)字源表1還可以用其他可以通過(guò)設(shè)置電壓得到電流的裝置；雪崩二極管放置于變溫裝置2中的保溫盒中，雪崩二極管的陰極與數(shù)字源表1的輸出端連接、雪崩二極管的陽(yáng)極與測(cè)試電路3的輸入端連接，雪崩二極管的輸出波形連接至示波器4的輸入端，測(cè)試電路3的輸出端通過(guò)USB連接至計(jì)算機(jī)5。

實(shí)施例2、

一種利用實(shí)施例1所述的單光子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，步驟如下：

S1、固定一個(gè)溫度值，該溫度取值范圍為-50℃～20℃，數(shù)字源表對(duì)雪崩二極管加偏壓，觀察數(shù)字源表上的電流示數(shù)、示波器顯示波形和計(jì)算機(jī)采集的暗計(jì)數(shù)。

S2、逐漸增大偏壓至雪崩擊穿電壓，這時(shí)數(shù)字源表上顯示的電流逐漸變大(pA-nA-μA)，同時(shí)示波器上顯示的波形開始出現(xiàn)雪崩脈沖，如圖2所示，暗計(jì)數(shù)也出現(xiàn)非0的數(shù)字；雪崩擊穿電壓狀態(tài)下，數(shù)字源表上顯示的電流為總的暗電流I_dark，示波器上出現(xiàn)的雪崩電壓波形通過(guò)歐姆定律計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的電流值，對(duì)電流曲線進(jìn)行積分，得到單個(gè)雪崩電荷量Q，

其中，T₁代表雪崩信號(hào)開始出現(xiàn)時(shí)示波器所顯示的時(shí)刻，T₂代表雪崩信號(hào)即將消失時(shí)所顯示的時(shí)刻。

S3、從測(cè)試電路得到暗計(jì)數(shù)的數(shù)值n，然后得到總雪崩電荷量Q_a為單個(gè)雪崩電荷量Q與暗計(jì)數(shù)值n的乘積，進(jìn)而得到雪崩暗電流I_a，

即，I_a是由于熱噪聲和隧穿效應(yīng)引起的暗電流與后脈沖引起的暗電流之和，其中，τ為死時(shí)間。

S4、經(jīng)過(guò)上述步驟S1、S2和S3后，然后確定暗電流的構(gòu)成以及暗電流的測(cè)試：未參與雪崩的暗電流I_b主要由表面漏電流引起，雪崩暗電流I_a主要由熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c構(gòu)成。

S4.1、未參與雪崩的暗電流I_b：

總暗電流I_dark減去雪崩暗電流I_a即為未參與雪崩的暗電流I_b。

S4.2、熱噪聲引起的暗電流I_th：

在勢(shì)壘寬度不變的情況下，貫穿系數(shù)與耗盡區(qū)電場(chǎng)有關(guān)，即隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT僅與過(guò)偏壓有關(guān)，而后脈沖可通過(guò)死時(shí)間τ調(diào)節(jié)，當(dāng)死時(shí)間較大的情況下，本實(shí)施例選取τ≥20μs時(shí)，后脈沖可以忽略，因此，可通過(guò)固定過(guò)偏壓和設(shè)置≥20μs的死時(shí)間τ，隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT在雪崩暗電流I_a中的數(shù)值是固定的，后脈沖引起的暗電流I_c可忽略不計(jì)，進(jìn)而即可從I_a中分離出I_th：固定過(guò)偏壓和設(shè)置≥20μs的死時(shí)間τ，不斷降低溫度，得到不同溫度下的暗計(jì)數(shù)，擬合后得到暗計(jì)數(shù)與溫度T的關(guān)系曲線，如圖3所示，從圖3中可看出，不同的過(guò)偏壓下，隨著溫度的升高暗計(jì)數(shù)均增大，且隨著過(guò)偏壓的增大，暗計(jì)數(shù)也增大；然后通過(guò)暗計(jì)數(shù)可得到I_a的值，因此暗計(jì)數(shù)與溫度T的關(guān)系曲線通過(guò)縱坐標(biāo)變換可以得到I_a與溫度T的關(guān)系曲線，代表不同溫度下的I_a的差值即為相應(yīng)溫度變化下熱噪聲的變化，然后與理論上熱噪聲曲線進(jìn)行比較；若得到的實(shí)測(cè)熱噪聲曲線與理論熱噪聲曲線的趨勢(shì)相同且數(shù)值差異在允許范圍內(nèi)，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確；若數(shù)值差異超過(guò)允許范圍，則繼續(xù)增大死時(shí)間、降低溫度，降低溫度可選用斯特林制冷機(jī)，再進(jìn)行比較，直到得到在允許范圍內(nèi)的結(jié)果。

S4.3、隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT：

當(dāng)溫度特別低時(shí)，本實(shí)施例選取溫度≤-40℃，熱噪聲導(dǎo)致的暗電流I_th可以忽略，這時(shí)可以得到隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c；在溫度≤-20℃、過(guò)偏壓≥3V時(shí)，增大死時(shí)間τ至≥20μs，可以忽略后脈沖引起的電流，即可分離得到遂穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT。

S4.4、后脈沖引起的暗電流I_c：

根據(jù)步驟S4.2和S4.3的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)雪崩暗電流I_a減去熱噪聲導(dǎo)致的暗電流I_th和隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT，得到后脈沖引起的暗電流I_c。至此，得到了表面漏電流引起的暗電流I_b、熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應(yīng)引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c，從而確定了暗電流的構(gòu)成。

以上僅描述了本發(fā)明的基本原理和優(yōu)選實(shí)施方式，本領(lǐng)域人員可以根據(jù)上述描述做出許多變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)應(yīng)該屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。