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淺談IDQ單光子探測器的工作模式

       ID Quantique (IDQ)公司位于瑞士,致力于量子傳感和量子密碼解決方案領域,在全球處于領先地位,其單光子產品被60多個國家和大洲的政府、企業和學術客戶使用。西安立鼎光電是IDQ公司的中國區代理商,負責其單光子產品的市場推廣及技術支持。本文將針對單光子探測器的工作模式,以IDQ單光子探測器為例,進行闡述。

單光子雪崩模式(蓋革模式)

  IDQ單光子系列產品ID100,ID120,IDQube,ID221和ID230是基于SPAD(單光子雪崩二極管)的模塊。SPAD(單光子雪崩二極管)也稱為光子探測器。它們以蓋革模式工作,二極管上的偏置電壓高于擊穿電壓。

  當探測器檢測到光子時,會處于雪崩態,若雪崩狀態一直持續,探測裝置很快就會損壞,必須將其進行淬滅,這表示要將偏置電壓降至擊穿電壓以下才能停止(淬滅)雪崩,然后將偏置電壓恢復至擊穿電壓以上以使其再次進行探測。

       僅當偏置電壓高于擊穿電壓時,探測器才能檢測到單光子信號。輸出信號與入射光強度不成比例。


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                                                                                            圖1 雪崩模式(線性)與單光子雪崩模式(非線性)

單光子探測器的工作模式

1.自由運行模式    

    只有在雪崩發生后,偏置電壓才會在很短的時間內降到擊穿電壓以下,這段時間稱為死區時間,用于淬滅雪崩。在所有其他時間,偏置電壓高于擊穿電壓,SPAD處于探測狀態。

   當探測到光子或暗計數,SPAD捕獲電子后發生雪崩。在裝置的檢測輸出端產生一個脈沖,并且觸發淬滅電子裝置停止雪崩。為了限制后脈沖,SPAD偏置電壓保持在擊穿以下(SPAD狀態為關閉),直到死區時間結束。

    自由運行模式對于光子到達時間未知的應用非常方便。

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                                                                                圖2 自由運行模式描述


2.門控模式

    為了降低暗計數率,SPAD只能在短時間內將偏置電壓設置在擊穿電壓以上。這段時間(持續時間)稱為門,可通過外部或內部觸發器調節寬度和頻率。

    探測器只在門打開期間進行計數。因此,門控模式用于光子到達時間已知的應用。此模式能顯著的降低暗計數率。

   如果門未打開或處于死區時間(在上次探測到光子之后),則不會探測到光子。當探測器在門時間內探測到光子或暗計數時,在探測連接器處輸出脈沖。淬滅電子器件進行淬滅,使探測器處于死區時間。

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                                                                    圖3 選通模式描述自由運行與門控模式

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                                                                                                              圖4 自由運行與門控模式


      瑞士IDQ公司2020年的新品ID Qube系列是一款近紅外單光子探測器,分為自由運行(Free-Running)和門控( Gated)2種。


                                                                                              image.png

                                                                                                                          ID Qube


       ID Qube NIR Free-Running給電信波長自由運行模式下的單光子探測帶來了重大突破。它為需要異步光子探測的應用提供了一種經濟高效的解決方案。例如光子相關性或飛行時間測量。而且它特別適合要求緊湊性的應用(如Lidar)。

     ID Qube NIR Gated是為電信波長優化的快速門控單光子探測器。它為需要同步光子探測的應用提供了一種經濟高效的解決方案。例如量子通信,尤其是量子密鑰分配。

  特點

   ◆波長范圍900 – 1700nm

   ◆探測效率最高可達25%

   ◆死時間范圍0.1 - 100 μs

   ◆超低暗計數率800Hz

   ◆低時間抖動150ps

   ◆自由運行模式/ 快速門控(高達100 MHz)

應用

   ◆量子通信

   ◆量子物理與光學

   ◆飛行時間測量(OTDR,激光雷達)

   ◆熒光壽命測量


關于單光子探測器更多詳情請聯系029-81870090/81778987

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