單光子偵測器

4. 1 單光子偵測系統結構

在了解了APD 在單光子偵測器中的操作原理與相對應的 Quenching 電路之後，便開始著手製作單光子偵測系統，圖(4-1)為單光子偵測器的系統架構圖，由圖中可以看到APD 是放置在一個可控制溫度的腔體之內，且與外部的 Quenching 電路做連接。 HP8114A 脈衝產生器與 Keithely 230 是用來對 APD Quenching 電路兩端做偏壓，使APD 可以操作在 Geiger-Mode 且重複偵測，APD 的輸出訊號則會經過放大器與鑑別器的雜訊處理後交由計數器統計結果，同時每一個電訊號的輸出都會連接到示波器上做同步的觀測以了解系統的輸出情形。而光源方面則是透過雷射源與衰減器來得到我們所需要的光量。

Trigger

Laser ^Attenuator

Trigger

Pulse Gen HP 8114A

Power Supply Keithley 2 3 0

Quenching Cuicirt

Cryostat APD

Temperature controller Lakeshore 320

SCOPE Tek TDS3034

Counter

Amplify Discriminator

圖4-1 單光子偵測器系統架構圖

4. 1. 1 溫度控制系統

溫度的高低會影響APD 的暗電流值，亦會影響單光子偵測器的表現，所以我們必須對APD 做一個降溫的動作，以減少單光子偵測器本身的雜訊。圖(3-2) 為實驗中的低溫腔體示意圖，由圖中可以看到APD 是放置於一個真空的腔體之中，此動作是預防在溫度低過零度C 時 APD 表面會結水氣，且因外接電路進入腔體當中的關傒，所以要有電匱入裝置(Electrical Feedthrough)的存在，另外我們也利用光纖的匱入裝置(Fiber Feedthrough)來提供一條光路給光子進入 APD。

此系統是把光子限制在光纖內作傳輸，此項措施可以確保光量的穩定，也可以使實驗的過程不需要在無光的環境中操做，大大的增加了實驗的便利性。此實驗中我們是利用液態氮(Liquid Nitrogion)來做 APD 的降溫，且透過腔體內的加熱器 (Heater)與溫度感測器(Temperature Sensor)，來控制腔體內的溫度值。

Fiber

Fiber Feedthrough Heater

Sencer APD

LN

Air

Electrical Feed through

圖4-2 低溫腔體內部結構示意圖

由圖(4-2)中可以看到 APD、Heater、Sensor 是置於一個與腔體分離的銅座 Pulse Generator Rl

20k

74HC04

1 2

圖4-3 電路系統示意圖

圖(4-3)為 APD 與 Quenching 電路結合後的電路示意圖，除了 APD 本身之為，此電路在實際製作分為兩塊，左半部即為前面介紹過的 Passive-Quenching 電路而右半部則為反相器電路。由圖(4-3)可以看到，APD 的 Quenching 電路需要一個電源供應器與一個脈衝產生器來當做APD 的偏壓源。而在此實驗中我們分別使用Keithley 230 與 HP 8114A 來當作 APD 的偏壓源。電路的製作方面則是使用SMD 電阻與電容且利用銲錫固定在電路板上面，而電源的匯入是利用 BNC

的接頭來與電路板作一連接，讓電源可以偏壓至APD 的兩端。 Passive Quenching，另外一種是脈衝寬度極短的 Gated Mode，兩種操作方式的本質不太相同。在 Passive-Quenching 中是靠大電阻的分壓來關閉 APD，所以 Rl 非常的大，但在此我們並不是使用 CW 的電源偏壓，而是使用週期為 100KHz

Pulse Generator Rl

20k

74HC04

1 2

0Ω

圖4-4 Gated Mode 電路示意圖

4. 1. 3 波形檢測與處理

示波器(Oscilloscope)是用來檢測 APD 兩端點的電壓輸出波型與各個儀器的輸出訊號檢測，且在量測APD 的兩端訊號時，我們使用了一隻主動式探棒配合量測。一般的被動式探棒，因為內部沒有一個緩衝器存在，所以探測時會直接看到示波器內部的電容，使得訊號輸出變慢且容易失真，另外主動式探棒的內部電容為1pF 以下，遠小於示波器本身 11pF。而就頻寬的部分來說，因為 APD 的電流輸出半高寬大約為5ns，於是在完整解析此電壓波型的條件下我們需要一個頻寬高於200MHz 的示波器。同樣的，主動試探棒的頻寬也必須要高於 200MHz。

我們使用主動示探針的型號為P6243，頻寬為 1GHz。

放大器與鑑別器在偵測系統中是扮演著過濾訊號的角色。從Quenching 電路輸出的訊號中會夾雜的因為電壓波形變化而產生的邊緣雜訊，經由放大器的放大來增加邊緣雜訊與APD 輸出訊號的差距之後，再利用鑑別器把邊緣雜訊去除，

使後端的計數器不會得到錯誤的計數結果。

計數器(Counter)是用來統計 APD 輸出訊號的儀器，可以透過此計數器統計出來的結果變化來對照不同光量的光源輸出，進而達到光量鑑別的目的，我們使用的是Stanford Research System 的 SR400 Two Channel Gated Photon Counter ，此計數器的200MHz 頻寬為足以勝任我們系統的頻寬需求。

4. 1. 4 光源的定義與取得

在此要了解光源特性並定義單光子的等效光量，且說明在實際的實驗中要如何得到單一一個光子。對於單一光子的概念，其實只是把傳統光強度的計量單位 (Watt)改變成光子的個數(顆)來做定義，我們透過換算光量的公式(4.1)來定義單一光子的等效光量

Nin=P_inλ / ch (4.1) 經過公式計算在一秒鐘內只能有一顆 1300nm 波長光子出現的等效光強度值為1.5x10^-19W，換句話說要在一秒內得到一顆 1300nm 波長光子的話，我們必須把光源的強度降到1.5x10^-19W。此項資訊對於在實驗中實現所謂單一光子的訊號有著很大的助益。

在Passive-Quenching 與 Gated Mode 的環境中，光量定義與取得並不相同。

在 Passive-Quenching 中，我們是利用一個雷射二極體來當作 Passive-Quenching 的光源，且使用脈衝產生器的觸發訊號控制來達到光源與Gated 訊號的同步，前面提到過Gated 訊號為的重複速度為 100KHz 且 Duty Cycle 為 80%(8us 的 Gated width)，於是我們可控制在此訊號的時間中光源的強度，並把它換算成光子數，

而且因為雷射光的半高寬很寬(8us)的關傒，所以並不能確切知道光子在探測區間內的到達時間，所以此光源可以用來模擬 CW 光源的表現。正因為如此，

Passive-Quenching 在定義光量時，只能以一秒內到達光子數來計算。假設一秒內的光量為 10^-13W 時，透過公式(4.1)可得到在一秒內有 6.67x10⁵顆光子的存在。

而在 Gated Mode 中，我們使用的是脈衝雷射光源，此光源的特性為半高寬窄 (25ps)且可使用於短 Gated Width 的良測之外，同時具有半高寬窄的特性而使得我們可以知道光子到達的時間只會存在於 25ps 的半高寬之內，透過這個機制可以定性的量測很多APD 的物理特性，而在 Gated Mode 中我們對光子的計算方式與Passive-Quenching 相同，但是因為光子進入 APD 的時間可以被某種程度上明確的定義，所以在Gated Mode 的量測中可以得到每一個光脈衝之內包含了幾個

光子數。在實驗中我們把每個脈衝中的會出現的光子數減少至0.1 個，以此量測 Geiger-Mode APD 對於單光子的偵測能力。在實驗中之我們是透過光衰減器來降低雷射源所發出的光量而達到我們所需要10^-13W 等級的光量值。

4. 1. 5 光脈衝與探測脈衝的同步

在實驗之中，不管是Passive-Quenching 還是 Gated Mode 其實都有脈衝訊號的存在，差別在於Quenching 機制的不同，使得脈衝的寬度有長短之分，但是對於光源來說都必須要做時間同步的動作。在單光子偵測器的操作系統之中，假設沒有光源的進入但依然會造成訊號的輸出而形成一個雜訊的計數，如此會降低 APD 的光探測效率，於是在量測時會盡量避免 APD 在沒有光進入時進行探測，

於此原因下必須使光源與APD 探測區間作一個匹配。

我們是透過APD 脈衝偏壓源 HP8114A 來做一個時間的基準，並透過觸發訊號來控制電源觸發雷射的時間點以達到同步的目的，但是 HP8114A 發出觸發訊號觸發雷射訊號且透過光纖的傳輸到達APD 的時間延遲包跨了雷射本身的上升時間與光纖傳輸的延遲時間，經過觀察總共的延遲時間大約為100ns 左右，這樣的大小對於Passive-Quenching 中光訊號寬度與 Gated Width 寬度 8us 來說極為渺小，但是在Gated Mode 中光源的半高寬為 25ps 且 Gated Width 為 40ns~20ns 之間，所以10ns 的時間差都會導致 APD 完全偵測不到光的存在，所以在 Gated Mode 中關於光源同步的技術是非常重要的。

4. 2 量測流程

首先，要把Cryostat 抽真空，一段時間後再從液氮孔注入液態氮使 APD 降溫且利用加熱器與溫度感應器控制與調整溫度，在溫度穩定之後使用HP4145 量測當此溫度之下時APD 的崩潰電壓，在確認崩潰電壓的值之後調整 Keithley 230 上的VR 值，且透過調整 HP8114A 輸出的脈衝高度來決定操作在 APD 上的超額電壓值，而Gated Mode 量測中還需調整相對應的重複速度與 Gated Width，然後透過光強度計與衰減器來得到在各種條件下光子數對應的光量值。再來是打開示波器，反相器，鑑別器，計數器的電源，且檢查各個部分訊號的對應性，前後極訊號的相對性，在系統各部分皆穩定之後，即可以開始進行量測，透過改變溫度、

超額電壓值、重複速度、Gated Width 與光源的變化，可以分析出此一 APD 操作在Geiger-Mode 時的特性表現，也代表著此一單光子偵測器的特性表現。

4. 3 單光子偵測器主要參數介紹

介紹完了APD操作在Geiger mode時的特性，且描述了如何製作一個完整的單光子偵測系統架構之後，現在我們要來定義一些代表單光子偵測器能力好壞與否的重要參數。

4. 3. 1 Dark Count Probability (rate)

在單光子偵測系統中存在著一種非訊號的事件，此事件是由偵測器內部所自行產生，經過計數器累計後形成單光子偵測器的重要參數- Dark count rate。

單光子偵測系統在使用時並不能區分出單一一次累增崩潰效應是由光子或暗載子所產生，所以如何減少暗事件的數量是現今致力於增進單光子偵測器能力的一大方向，而暗事件是由下列兩個現象所主導[10,14]:

(1)熱雜訊，(2) Trap release 效應

(1)熱雜訊是由於在高溫時，電子因熱能而從價帶被激發到導帶上形成電流，所以我們可以透過降溫的方式來降低熱雜訊的發生。

圖 4-5 熱雜訊示意圖

t

G -APD

APD V

圖4-6 熱載子的數量與時間的關傒

在時間對Dark count的影響方面，隨著單光子偵測器的操作電壓高於崩潰電壓時間區間的縮小，暗載子在此區間內流入的數量也會降低，於是影響了Dark count 的總數，暗載子數與電壓操作時間關傒如下公式(4.2):

q

N

_DARK

₌ I

^DM

τ

(4.2)

I

: Primary dark current of APD τ : Gated width

(2) Trap Release效應又稱為After Pulsing效應。在累增崩潰期間大電流流經元件內

在文檔中砷化銦鎵光崩潰二極體於單光子偵測器之應用 (頁 47-60)