Приемники одиночных фотонов инфракрасного диапазона на основе лавинных фотодиодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Анисимов, Андрей Александрович

• Анисимов, Андрей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Анисимов, Андрей Александрович

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Исследование лавинного пробоя в полупроводниковых структурах

1.2. Детектирование фотонов лавинными фотодиодами.

1.3. Приемники фотонов.

1.4. Численное моделирование процессов в ЛФД.

1.5. Области применения приемников фотонов

1.5.1. Квантовая криптография.

1.5.2. Спектроскопия корреляции интепсивпостей.

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 фо тонов

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Приемники одиночных фотонов инфракрасного диапазона на основе лавинных фотодиодов»

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 твердотельных 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 И К-диапазоне приемники фотонов на основе ЛФД имели сравнительно небольшую скорость счета, ограниченную эффектом послелавиппых 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 фотоприемников-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 лавинный пробой. Именно ток пробоя и позволяет зарегистрировать акт поглощения фотона. Тем не менее, поскольку данный режим не является стандартным, существует достаточно большое количество параметров схемы включения, изменение которых позволяет добиться улучшения характеристик приемника фотонов в целом.

Целью диссертационной работы является разработка приемников фотонов для ближнего И К-диапазона, удовлетворяющих условиям работы в составе систем квантовой криптографии (высокая скорость счета и квантовая эффективность при малой вероятности ложных отсчетов), исследование их характеристик и определение путей улучшения параметров.

Научная новизна:

• Разработана новая схема регистрации тока лавинного пробоя, позволившая уменьшить число подводимых к ЛФД полосковых линий, что привело к уменьшению теплового потока и упростило конструкцию приемника.

• Разработан и создан оригинальный автоматизированный стенд для измерения характеристик ЛФД. Стенд позволил получить набор зависимостей, необходимый для выбора параметров приемника при его настройке для решения определенной задачи.

• Впервые предложен и реализован метод селектироваиия лавинных пробоев по времени их возникновения, позволяющий на порядок снизить вероятность ложных срабатываний при высоких скоростях счета фотонов.

• Продемонстрирована возможность оценки времен корреляции потока фотонов приемником, работающим в режиме стробирования. Определены диапазоны времен корреляции, для которых возможна оценка. Разработана новая методика, позволяющая расширить диапазон измерений в спектроскопии флуктуашш интенсивности.

• Продемонстрирована возможность оценки времен корреляции потока фотонов приемником, работающим в режиме стробирования. Определены диапазоны времен корреляции, для которых возможна оценка. Разработана новая методика оценки, расширяющая рабочий диапазон спектроскопии флуктуаций интенсивности.

• Исследован спектр излучения 1пСаА*/ 1пР ЛФД, находящегося в режиме лавинного пробоя, и определены условия, при которых такое излучение может быть зарегистрировано приемником фотонов на базе аналогичного ЛФД.

Положения, выносимые на защиту:

• Разработанная схема регистрации лавинных пробоев позволяет уменьшить число полосковых линий, подводимых к ЛФД, что, в свою очередь, значительно упрощает разработку приемников фотонов.

• При проектировании приемников фотонов, предназначенных для конкретных задач, целесообразно использовать разработанный автоматизированный стенд. Стенд позволяет получить необходимый для целей оптимизации набор характеристик.

• Разработанная методика селектирования лавинных пробоев по времени возникновения позволяет па порядок снизить вероятность ложного срабатывания приемника фотонов при высоких скоростях счета. Данная методика может использоваться для всех типов ЛФД с разделенными областями поглощения и умножения.

• Использование стробируемого режима работы приемников на основе ЛФД для оценки времени когерентности источника излучения позволяет расширить рабочий диапазон спектроскопии флуктуаций интенсивности, проводимой на базе этих приборов.

• В режиме лавинного пробоя ЛФД возникает оптическое излучение, мощность которого достаточна для регистрации приемником фотонов, построенном на аналогичном ЛФД.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе, являющейся обзором литературы, приведены результаты предшествующих исследований ЛФД и как детектора фотонов и как полупроводниковой структуры.Разумеется, невозможно говорить о свойствах детектора, не зная процессов, происходящих внутри самого диода.

Также в обзоре литературы приводится краткий анализ основных схем включения, оценка их преимуществ и недостатков. При рассмотрении схем подавления пробоя не акцентируется внимание на типе и структуре ЛФД, поскольку по существу процесс лавинного пробоя в различных ЛФД происходит одинаково. Детально структура фотодиода на основе соединения 1пСаАв/ 1пГ рассматривается во второй главе. Там же анализируется связь параметров полупроводниковой структуры и характеристик диода как детектора фотонов. Такая связь очень важна, так как позволяет попять закономерности работы ЛФД и оптимизировать их в соответствии с заданным критерием.

Третья глава посвящена схемотехнической реализации приемника фотонов. В ней рассмотрены различные варианты построения регистрирующих ток лавинного пробоя устройств, а также систем охлаждения. В заключительной части приведено описание функционально законченного приемника для работы в составе системы квантовой криптографии.

Для успешной оптимизации параметров ЛФД под конкретную задачу необходимо иметь достаточно полный набор характеристик фотодиода в режиме счета фотонов. Разработке измерительного стенда и методологии измерений посвящена четвертая глава. В ходе проведения экспериментов выяснились некоторые особенности поведения ЛФД. Часть из них позволяет добиться улучшения параметров приемника фотонов в целом. Заключительная часть главы посвящена модернизированной схеме приемника и анализу ее работы.

В пятой главе рассматриваются особенности применения ЛФД, работающего в режиме стробирования. В первой части рассматривается вопрос оценки параметров потока фотонов и определяются границы применимости приемника для оценки времен корреляции.

Во второй части обсуждаются вопросы выбора режима работы приемника в составе системы квантовой криптографии.

Одна из особенностей работы приемников рассматриваемого типа - обратное излучение ЛФД - требует пристального внимания как паразитный фактор в системах квантовой криптографии и при организации массивов фотоприемников. Изучению этих особенностей посвящена заключительная часть последней главы.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Анисимов, Андрей Александрович

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

• Разработан и практически реализован приемник фотонов па базе ЛФД со структурой 1пР/ГиСаАз. Произведена оценка основных параметров приемника. Выработаны методики и проведены измерения квантовой эффективности, вероятности темпового отсчета и послелавинного срабатывания при фиксированных температурах, напряжении смещения, амплитуде и длительности стробирующих импульсов, а также частоте их повторения.

• На основе проведенных измерений сделано заключение о необходимости разработки автоматизированного средства измерений. Создан стенд, удовлетворяющий поставленным требованиям. Проведены измерения в автоматическом режиме наборов основных характеристик - зависимостей квантовой эффективности, вероятности послелавинного срабатывания и темпового отсчета от температуры при различных напряжениях смещения от 35 до 70 В. На основе полученных данных построены зависимости, при помощи которых можно выбирать рабочую точку для достижения заданных параметров приемника.

• Разработана методика улучшения параметров приемника, а именно, уменьшения вероятности послелавинного срабатывания и темпового отсчета. Продемонстрировано уменьшение указанных вероятностей вероятностей в 25 и в 4 раза соответственно. Методика эффективно работает при высоких частотах повторения стробирующих импульсов.

• Показано, что приемник фотонов в рассматриваемом режиме может использоваться для оценки времени корреляции однофотонного потока и определены диапазоны времен корреляции — порядка длительности стробирующего импульса — от 0,5 до 10 не и много больше периода следования импульсов - от 100 мке (для частоты повторения импульсов 1 МГц).

• Измерена спектральная характеристика оптической мощности, излучаемой ЛФД во время лавинного пробоя. Характеристика имеет максимум в диапазоне 1,4-1,5 мкм. Методика измерений позволяет определить пороговое значение напряжения смещения, при котором интенсивность излучения резко уменьшается.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Анисимов, Андрей Александрович, 2005 год

1. G. McKay. Avalanche Breakdown in Silicon // Physical Review, 1954, v 94, n 4, pp877-884,

2. A. G. Chynoweth, K. G. McKay. Photon emission from avalanche breakdown in silicon // Physical Review, 1956, v 102, 2, p. 369,

3. R. H. Haitz, A. Goetzberger. Avalanche effects in silicon p-n junctions. Localazed photomultiplication studies onmicroplasmas// J.oiAppl. Phys., 1963, v34,6, p. 1581,

4. A. G. Chinoweth, G. L. Pearson. Effect on dislocations on breakdown in silicon p-n junctions //J. of Appl. Phys., 1953, v 29, 7, p. 1103,

5. R. J. Mclntyre. Theory of Microplasma Instability in Silicon // J. Appl. Phys., 1961, v 32, n 6, pp 983-995,

6. A. Spinelli, A. L. Lacaita. Physics and numerical simulation of single photon avalanche diodes // IEEE Trans, on El. Dev., 1997, v. 44, 11, p. 1931,

7. S.R. Forrest, О. K. Kim. Analysis of the dark current and photoresponse of Гпо^зСаолгАв/InP avalanche photodiodes // Solid-State Electronics, 1983, v 26, 10, p.951,

8. R. H. Haitz. Model for the Electrical Behavior of a Microplasma//J. Appl. Phys., 1964, v 35, n 5, pp 1370-1376,

9. R. J. Mclntyre. On the avalanche initiation probability of avalanch diodes above the breakdown voltage// IEEE Trans, on El. Dev., 1973, v ED-20, 7, p. 637,

10. A. Lacaita, F.Zappa, S. Cova, P. Lovati. Single-photon detection beyond 1 nm: performance of commercially available InGaAs/lnP detectors // Appl. Opt., 1996, v 35, n 16, pp 2986-2996,

11. Y. Liu, S.R. Forrest. Simple, very low dark current, planar long-wavelength avalanche photodiode // Appl. Phys. Lett., 1988, v 53, 14, p. 1311,

12. M.A. Itzler, C.S. Wang et al. Planar bulk-InP avalanche photodiode design for 2.5 and 10 Gb/s applications // ECOC98, Sep 20-24, 1998,

13. K. Taguchi, T. Toshitaka et al. Planar-structure InP/lnGaAsP/lnGaAs avalanche photodiodes with preferential lateral extended guard ring for 1.0-1.6 pm wavelength optical communication use//.I. of Light. Tech., 1988, v. 6, 11, p. 1643,

14. С. H. Olsen. Low-leakage, high-efficiency, reliable VPE InGaAs 1.0-1.7 pm photodiodes// IEEE El. Dev. Lett., 1981, v. EDL-2, 9, p. 217,

15. W. Haecker, O. Groezinger. Infrared photon counting by Ge avalanche diodes // Appl. Phys. Lett., 1971, v 19, 4, p. 113,

16. B. F. Levine, C. G. Bethea. Room-temperature 1,3 um optical time domain retleetometer using a photon counting InGaAs/lnP avalanch detector // Appl. Phys. Lett., 1985, v 46, 4, p. 333,

17. A. Lacaita, S. Cova. Subnanosecond single-photon timing with commercially available germanium photodiodes // Optics Letters, 1993, v 18, 1, p. 75,

18. A. Lacaita, P. A. Francese. Single-photon detection beyond 1 um: performance of commercially available germanium photodiodes // Appl. Opt., 1994, v. 33,150, p. 6902,

19. P. C. M. Owens, J. G. Rarity. Photon counting with passively quenched germanium avalanche // Appl. Opt., 1994, v. 33, 30, p.6895,

20. S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori and F. Zappa. Avalanche Photodiodes and Quenching Circuits for Single-Photon Detection // Appl. Opt., 1996, v 35, n 12, pp 1956-1976,

21. G. Ribordy, ,I-D. Gautier, H. Zbinden. Performance of InGaAs/lnP photodiodes as gated-mode photon counters // Appl. Opt., 1998, v. 37, 12, p. 2272,

22. J. G. Rarity, T. E. Wall, K. D. Ridley, P. C. M. Owens, P. R. Tapster. Single-photon counter for the 1300-1600 nm range by use of Peltier-cooled and passively quenched InGaAs avalanche photodiodes // Appl. Opt., 2000, v 39, n 36, pp 6746-6753,

23. D. S. Bethune, R. G. Dcvoeet al. United States Patent, No.: US 6,218,657 Bl, Apr. 17, 2001,

24. A. Tomita, K. Nakamura. A balanced gated-mode photon detector for qubit discrimination in 1550 nm, http:\\ xxx.arxiv.org/quant-ph/0206150 vl, 21 Jun 2002,

25. A. Yoshizawa, R. Kaji, H. Tsuchida. 10.5 km fiber-optic quantum key distribution at 1550 nm with a key rate of 45 kHz // Jap. J. of Appl. Phys., 2004, v. 43, 6A, p. L735,

26. Y. Kang, H.X. Lu et al. Dark count probability and quantum efficiency of avalanche photodiodes for single-photon detection // Appl. Phys. Lett., 2003, v 83, 14, p. 2955,

27. A. Banoushi, V. Ahmadi. An analytical approach to study the effect of carrier velocities on the gain and breakdown voltage of avalanche photodiodes//J. of Light. Tech., 2002, v. 20, 4, p.696,

28. Y. G. Xiao, M. J. Deen. Time domain modeling of InP/lnGaAs avalanche photodiodes // Proc. of SPIE, 2001, v. 4288, p.85.1. Литература

29. J.N. Haralson II, J.W. Parks et al. Numerical simulation of avalanche breakdown within InP-InGaAs SAGCM standoff avalanche photodiodes //J. of Light. Tech., 1997, v. 15, 11, p.2137,

30. C. L. F. Ma, M. J. Deen, L. E. Tarof. Device parameters extraction in separate absorption, grading, charge and multiplication InP/lnGaAs avalanche photodiodes // IEEE Trans, on El. Dev., 1995, v. 42, 12, p. 2070,

31. L. E. Tarof, J. Yu et al. Design and whole wafer performance of separate absorption, grading, charge and multiplication InP/lnGaAs avalanche photodiodes // Proc. of SPIE, 1994, v. 2149, p.290,

32. M.A. Itzler, K.K. Loi et al. Manufacturable planar bulk-InP avalanche photodiodes for 10 Gb/s applications // LEOS'99, Nov, 1999,

33. K.-S. Hyun, C.-Y. Park. Breakdown characteristics in InP/lnGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure // J. Appl. Phys., 1997, v. 81, 2, p.974,

34. C. L. F. Ma, M. J. Deen et al. Temperature dependence of breakdown voltages in separate absorption, grading, charge and multiplication InP/lnGaAs avalanche photodiodes // IEEE Trans, on El. Dev., 1995, v. 42, 5, p.810,

35. Y. Liu, S. R. Forrest et al. A planar InP/lnGaAs avalanche photodiode with floating guard ring and double diffused junction // J. of Light. Tech., 1992, v. 10, 2, p. 182,

36. C. Kurtsiefer, P. Zarda et al. The breakdown flash of silicon avalanche photodiodes -backdoor for eavesdropper attacs? //J. Mod. Opt., 2001, v 48, no 13, pp 2039 2047

37. P. L. Voss et al. 14 MHz rate photon counting with room temperature InGaAs/lnP avalanche photodiodes // J. of Mod. Opt., 2004, v. 51, 9/10, p. 1369,

38. A. S. Trifonov, D. Subacius et al. Single photon counting at telecom wavelength and quantum key distribution //.I. of Mod. Opt., 2004, v. 51,9/10, p. 1399,

39. S. Cova, A. Laeaita, G. Ripamonti. Trapping phenomena in avalanche photodiodes on nanosecond scale // IEEE El. Dev. Lett., 1991, v. 12, 12, p. 685,

40. Гулаков И. P., Шуневич С. А. Счет фотонов лавинными фотодиодами // ПТЭ, 1987, ,N¡>4 стр. 183-185,

41. Техника оптической связи: фотоприемники: пер. с англ. Под ред. У. Тсанга. М.: Мир, 1988.-526 с.

42. С. Я. Килин. Квантовая информация // УФН, 1999, т. 169, 5, стр. 507,

43. D. S. Bethune, W. P. Risk. An autocompensating fiber-optic quantum cryptography system based on polarization splitting of light // IEEE J. Quant. Elect, 1998, v. 36, p. 340,

44. R. J. Hughes, G. L. Morgan, C. J. Peterson. Quantum key distribution over a 48 km optical fiber network // J. of Modern Opt., 2000, v. 47, 2/3, p. 533,

45. A. Karlsson, M. Bourennane. A sigle-photon counter for long-haul telecom// Circuits Devices, nov. 1999,

46. Г. Камминс, Э. Пайк (ред.) Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов, М.: Мир, 1978,- 584с,

47. К. К. Eoi, М. Itzler. Avalanche photodetectors for 10 Gb/s fiber optic receivers //

48. Compound Semiconductor Magazine, Apr. 2000, v 6, No. 3

49. С. M. Зи, Физика полупроводниковых приборов.M.: Энергия, 1973, -655 с,

50. А. С. Тагер, В. М. Вальд-Перлов. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ.М.: Сов. радио, 1968.-480 с,

51. Е. С. Вентцель, Л.А. Овчаров. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения, М.: Наука, 1991 -384 е.,

52. Р.Н. Вадзинский. Справочник по вероятностным распределениям, С.-Петербург: Наука, 2001,-295с.

53. Р. Лоудон Квантовая теория света : Пер. с англ. — Москва : Мир, 1976 .— 488 с.

54. С.Я.Килин. Квантовая оптика: поля и их детектирование. М.:Едиториал УРСС, 2003,-176 с.