CN106482829B - 单光子探测器的动态和静态联合测试***及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子探测器的动态和静态联合测试***，包括数字源表、变温装置、测试电路和示波器，雪崩二极管放置于变温装置中的保温盒中，雪崩二极管的阴极与数字源表的输出端连接、雪崩二极管的阳极与测试电路的输入端连接，雪崩二极管的输出波形连接至示波器的输入端，测试电路的输出端连接至计算机。由于不同温度、不同过偏压和不同死时间下，暗电流的构成会有变化，本发明通过动态测试和静态测试联合起来将其分开，实现了动态和静态联合的实时调试；并确定了暗电流的构成，且该确定暗电流构成的方法容易实现，因此，暗电流构成不仅仅上理论计算，实验上也容易证明。
Description
技术领域
本发明涉及一种单光子探测器的动态和静态联合测试***及其测试方法，属于微光探测技术领域。
背景技术
单光子探测技术，是检测微弱光信号的有力手段，在量子通信、激光测距等都有广泛的应用。目前限制单光子探测器量子效率的主要因素是暗计数和后脉冲，是导致量子通信中误码率的重要因素。光电探测器件(如雪崩光电二极管)是单光子探测器的一个重要组成部分，与探测器暗计数、后脉冲概率对应的参数分别是暗电流以及被俘获载流子的再释放产生的电流，因此，为了减小单光子探测器的暗计数和后脉冲概率，就要分析雪崩二极管暗电流的来源，研究减小暗电流、后脉冲效应的方法，才能提高单光子探测器的性能。工作于盖革模式下的单光子探测器的噪声主要来源于三类：热噪声引起的随机噪声、高反偏压下载流子发生隧穿效应造成雪崩、俘获中心再释放载流子即后脉冲效应。后脉冲效应在实验上较为容易区分，而热噪声和隧穿电流虽然在理论上有严格的公式推导，但在实验上分别得到还是较为困难。确定暗电流的构成也是当下单光子领域一个研究热点。
雪崩二极管是一种灵敏度极高的二极管，稍大的电流就可以使之毁坏，因此在对其进行测试时一定要注意对电流的限制。现有的静态测试中，其I-V、C-V曲线需要借助于半导体参数分析仪，但是不能实现实时控制；也可以借助数字源表，可以实现实时控制，但是不能得到C-V曲线。而对于温度的控制需要借助于变温电路，目前主要采用半导体制冷，制冷速度快且成本低。单光子探测器通常要包含光电探测器件(如雪崩光电二极管)、器件驱动电路和输出信号提取电路，对其整个***的暗计数等的测试称之为动态测试。而对于同样的雪崩二极管而言，静态和动态的测试得到的结果是不一样的，静态测试可以得到总的暗电流，而动态测试可以得到暗计数特征。且静态测试***和动态测试***对于很多参数的定义方式有较大差别，如雪崩击穿电压。在静态测试中，雪崩击穿电压为雪暗电流达到某一值时的偏置电压值；而在动态电路中，为第一次出现超过某一输出脉冲时的偏置电压值。事实证明，这两者差异很大。因此，有必要联合测试，以实现高效精确测量的目的。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种单光子探测器的动态和静态联合测试***及其测试方法，该测试方法将动态测试和静态测试简洁高效地结合起来进行测试，实现了动态和静态的统一调试，以达到确定暗电流构成的目的。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种单光子探测器的动态和静态联合测试***，包括数字源表、变温装置、测试电路和示波器，雪崩二极管放置于变温装置中的保温盒中，雪崩二极管的阴极与数字源表的输出端连接、雪崩二极管的阳极与测试电路的输入端连接，雪崩二极管的输出波形连接至示波器的输入端，测试电路的输出端连接至计算机。
根据本发明优选的，数字源表采用Keithley 2400数字源表。
本发明还提供了一种利用上述单光子探测器的动态和静态联合测试***的测试方法，步骤如下：
S1、固定一个温度值，该温度取值范围为-50℃～20℃，数字源表对雪崩二极管加偏压，观察数字源表上的电流示数、示波器显示波形和计算机采集的暗计数；
S2、逐渐增大偏压至雪崩击穿电压，这时数字源表上显示的电流逐渐变大，同时示波器上显示的波形开始出现雪崩脉冲，暗计数也出现非0的数字；雪崩击穿电压状态下，数字源表上显示的电流为总的暗电流Idark，示波器上出现的雪崩电压波形通过欧姆定律计算得到相对应的电流值，对电流曲线进行积分，得到单个雪崩电荷量Q，
其中，T1代表雪崩信号开始出现时示波器所显示的时刻，T2代表雪崩信号即将消失时所显示的时刻；
S3、从测试电路得到暗计数的数值n，然后得到总雪崩电荷量Qa为单个雪崩电荷量Q与暗计数值n的乘积，进而得到雪崩暗电流Ia，
即，Ia是由于热噪声和隧穿效应引起的暗电流与后脉冲引起的暗电流之和，其中，τ为死时间；
S4、确定暗电流的构成以及暗电流的测试：未参与雪崩的暗电流Ib主要由表面漏电流引起，雪崩暗电流Ia主要由热噪声引起的暗电流Ith、隧穿效应引起的暗电流ITAT以及后脉冲引起的暗电流Ic构成；
S4.1、未参与雪崩的暗电流Ib：
总暗电流Idark减去雪崩暗电流Ia即为未参与雪崩的暗电流Ib；
S4.2、热噪声引起的暗电流Ith：
在势垒宽度不变的情况下，贯穿系数与耗尽区电场有关，即隧穿效应引起的暗电流ITAT仅与过偏压有关，而后脉冲可通过死时间τ调节，当τ≥20μs时，后脉冲可以忽略，因此，可通过固定过偏压和设置≥20μs的死时间τ，隧穿效应引起的暗电流ITAT在雪崩暗电流Ia中的数值是固定的，后脉冲引起的暗电流Ic可忽略不计，进而即可从Ia中分离出Ith：固定过偏压和设置≥20μs的死时间τ，不断降低温度，得到不同温度下的暗计数，拟合后得到暗计数与温度T的关系曲线，通过暗计数可得到Ia的值，进而可以得到Ia与温度T的关系曲线，代表不同温度下的Ia的差值即为相应温度变化下热噪声的变化，然后与理论上热噪声曲线进行比较；
S4.3、隧穿效应引起的暗电流ITAT：
当温度≤-40℃时，热噪声导致的暗电流Ith可以忽略，这时可以得到隧穿效应引起的暗电流ITAT以及后脉冲引起的暗电流Ic；在温度≤-20℃、过偏压≥3V时，增大死时间τ至≥20μs，可以忽略后脉冲引起的电流，即可分离得到遂穿效应引起的暗电流ITAT；
S4.4、后脉冲引起的暗电流Ic：
根据步骤S4.2和S4.3的测量结果，通过雪崩暗电流Ia减去热噪声导致的暗电流Ith和隧穿效应引起的暗电流ITAT，得到后脉冲引起的暗电流Ic。
根据本发明优选的，所述步骤S4.2中，若得到的实测热噪声曲线与理论热噪声曲线的趋势相同且数值差异在允许范围内，则说明该实验结果正确；若数值差异超过允许范围，则继续增大死时间、降低温度，再进行比较，直到得到在允许范围内的结果。
本发明的有益效果是：
由于不同温度、不同过偏压和不同死时间下，暗电流的构成会有变化，本发明通过一种简单的方法(即动态测试和静态测试联合起来)将其分开，实现了动态和静态联合的实时调试；并确定了暗电流的构成，且该确定暗电流构成的方法容易实现，因此，暗电流构成不仅仅上理论计算，实验上也容易证明。
附图说明
图1为本发明的测试***的结构示意图。图中，1、数字源表；2、变温装置；3、测试电路；4、示波器；5、计算机。
图2为过偏压为0.2V，经过100倍放大后从示波器得到的雪崩信号曲线图。图中，纵坐标为电压，每格代表20mV；横坐标为时间，每格代表50ns。
图3为过偏压为1.5V、2.0V、2.5V、3.0V情况下暗计数与温度T的关系曲线图。图中，纵坐标为暗计数；横坐标为温度。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
实施例1、
本发明所述的单光子探测器的动态和静态联合测试***，如图1所示，包括数字源表1、变温装置2、测试电路3和示波器4，数字源表1采用Keithley 2400数字源表，示波器4不需要使用较贵的电流探针，直接对电压进行测试，示波器有50Ω的阻抗匹配，很容易由欧姆定律得到电流变化，数字源表1还可以用其他可以通过设置电压得到电流的装置；雪崩二极管放置于变温装置2中的保温盒中，雪崩二极管的阴极与数字源表1的输出端连接、雪崩二极管的阳极与测试电路3的输入端连接，雪崩二极管的输出波形连接至示波器4的输入端，测试电路3的输出端通过USB连接至计算机5。
实施例2、
一种利用实施例1所述的单光子探测器的动态和静态联合测试***的测试方法，步骤如下：
S1、固定一个温度值，该温度取值范围为-50℃～20℃，数字源表对雪崩二极管加偏压，观察数字源表上的电流示数、示波器显示波形和计算机采集的暗计数。
S2、逐渐增大偏压至雪崩击穿电压，这时数字源表上显示的电流逐渐变大(pA-nA-μA)，同时示波器上显示的波形开始出现雪崩脉冲，如图2所示，暗计数也出现非0的数字；雪崩击穿电压状态下，数字源表上显示的电流为总的暗电流Idark，示波器上出现的雪崩电压波形通过欧姆定律计算得到相对应的电流值，对电流曲线进行积分，得到单个雪崩电荷量Q，
其中，T1代表雪崩信号开始出现时示波器所显示的时刻，T2代表雪崩信号即将消失时所显示的时刻。
S3、从测试电路得到暗计数的数值n，然后得到总雪崩电荷量Qa为单个雪崩电荷量Q与暗计数值n的乘积，进而得到雪崩暗电流Ia，
即，Ia是由于热噪声和隧穿效应引起的暗电流与后脉冲引起的暗电流之和，其中，τ为死时间。
S4、经过上述步骤S1、S2和S3后，然后确定暗电流的构成以及暗电流的测试：未参与雪崩的暗电流Ib主要由表面漏电流引起，雪崩暗电流Ia主要由热噪声引起的暗电流Ith、隧穿效应引起的暗电流ITAT以及后脉冲引起的暗电流Ic构成。
S4.1、未参与雪崩的暗电流Ib：
总暗电流Idark减去雪崩暗电流Ia即为未参与雪崩的暗电流Ib。
S4.2、热噪声引起的暗电流Ith：
在势垒宽度不变的情况下，贯穿系数与耗尽区电场有关，即隧穿效应引起的暗电流ITAT仅与过偏压有关，而后脉冲可通过死时间τ调节，当死时间较大的情况下，本实施例选取τ≥20μs时，后脉冲可以忽略，因此，可通过固定过偏压和设置≥20μs的死时间τ，隧穿效应引起的暗电流ITAT在雪崩暗电流Ia中的数值是固定的，后脉冲引起的暗电流Ic可忽略不计，进而即可从Ia中分离出Ith：固定过偏压和设置≥20μs的死时间τ，不断降低温度，得到不同温度下的暗计数，拟合后得到暗计数与温度T的关系曲线，如图3所示，从图3中可看出，不同的过偏压下，随着温度的升高暗计数均增大，且随着过偏压的增大，暗计数也增大；然后通过暗计数可得到Ia的值，因此暗计数与温度T的关系曲线通过纵坐标变换可以得到Ia与温度T的关系曲线，代表不同温度下的Ia的差值即为相应温度变化下热噪声的变化，然后与理论上热噪声曲线进行比较；若得到的实测热噪声曲线与理论热噪声曲线的趋势相同且数值差异在允许范围内，则说明该实验结果正确；若数值差异超过允许范围，则继续增大死时间、降低温度，降低温度可选用斯特林制冷机，再进行比较，直到得到在允许范围内的结果。
S4.3、隧穿效应引起的暗电流ITAT：
当温度特别低时，本实施例选取温度≤-40℃，热噪声导致的暗电流Ith可以忽略，这时可以得到隧穿效应引起的暗电流ITAT以及后脉冲引起的暗电流Ic；在温度≤-20℃、过偏压≥3V时，增大死时间τ至≥20μs，可以忽略后脉冲引起的电流，即可分离得到遂穿效应引起的暗电流ITAT。
S4.4、后脉冲引起的暗电流Ic：
根据步骤S4.2和S4.3的测量结果，通过雪崩暗电流Ia减去热噪声导致的暗电流Ith和隧穿效应引起的暗电流ITAT，得到后脉冲引起的暗电流Ic。至此，得到了表面漏电流引起的暗电流Ib、热噪声引起的暗电流Ith、隧穿效应引起的暗电流ITAT以及后脉冲引起的暗电流Ic，从而确定了暗电流的构成。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种单光子探测器的动态和静态联合测试***，其特征在于：包括数字源表（1）、变温装置（2）、测试电路（3）和示波器（4），所述测试电路（3）用于测量暗计数，雪崩二极管放置于变温装置（2）中的保温盒中，雪崩二极管的阴极与数字源表（1）的输出端连接、雪崩二极管的阳极与测试电路（3）的输入端连接，雪崩二极管的输出波形连接至示波器（4）的输入端，测试电路（3）的输出端连接至计算机（5）。
2.根据权利要求1所述的测试***，其特征在于：数字源表（1）采用Keithley 2400数字源表。
3.根据权利要求1或2所述的单光子探测器的动态和静态联合测试***的测试方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1、固定一个温度值，该温度取值范围为-50℃~20℃，数字源表对雪崩二极管加偏压，观察数字源表上的电流示数、示波器显示波形和计算机采集的暗计数；
S2、逐渐增大偏压至雪崩击穿电压，这时数字源表上显示的电流逐渐变大，同时示波器上显示的波形开始出现雪崩脉冲，暗计数也出现非0的数字；雪崩击穿电压状态下，数字源表上显示的电流为总的暗电流I dark ，示波器上出现的雪崩电压波形通过欧姆定律计算得到相对应的电流值，对电流曲线进行积分，得到单个雪崩电荷量Q，
其中，T1代表雪崩信号开始出现时示波器所显示的时刻，T2代表雪崩信号即将消失时所显示的时刻；
S3、从测试电路得到暗计数的数值n，然后得到总雪崩电荷量Q a 为单个雪崩电荷量Q与暗计数值n的乘积，进而得到雪崩暗电流I a ，
即，I a 是由于热噪声和隧穿效应引起的暗电流与后脉冲引起的暗电流之和，其中，τ为死时间；
S4、确定暗电流的构成以及暗电流的测试：未参与雪崩的暗电流I b 主要由表面漏电流引起，雪崩暗电流I a 主要由热噪声引起的暗电流I th 、隧穿效应引起的暗电流I TAT 以及后脉冲引起的暗电流I c 构成；
S4.1、未参与雪崩的暗电流I b ：
总暗电流I dark 减去雪崩暗电流I a 即为未参与雪崩的暗电流I b ；
S4.2、热噪声引起的暗电流I th ：
在势垒宽度不变的情况下，贯穿系数与耗尽区电场有关，即隧穿效应引起的暗电流I TAT 仅与过偏压有关，而后脉冲可通过死时间τ调节，当τ≥20µs时，后脉冲可以忽略，因此，可通过固定过偏压和设置≥20µs的死时间τ，隧穿效应引起的暗电流I TAT 在雪崩暗电流I a 中的数值是固定的，后脉冲引起的暗电流I c 可忽略不计，进而即可从I a 中分离出I th ：固定过偏压和设置≥20µs的死时间τ，不断降低温度，得到不同温度下的暗计数，拟合后得到暗计数与温度T的关系曲线，通过暗计数可得到I a 的值，进而可以得到I a 与温度T的关系曲线，代表不同温度下的I a 的差值即为相应温度变化下热噪声的变化，然后与理论上热噪声曲线进行比较；
S4.3、隧穿效应引起的暗电流I TAT ：
当温度≤-40℃时，热噪声导致的暗电流I th 可以忽略，这时可以得到隧穿效应引起的暗电流I TAT 以及后脉冲引起的暗电流I c ；在温度≤-20℃、过偏压≥3V时，增大死时间τ至≥20µs，可以忽略后脉冲引起的电流，即可分离得到遂穿效应引起的暗电流I TAT ；
S4.4、后脉冲引起的暗电流I c ：
根据步骤S4.2和S4.3的测量结果，通过雪崩暗电流I a 减去热噪声导致的暗电流I th 和隧穿效应引起的暗电流I TAT ，得到后脉冲引起的暗电流I c 。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S4.2中，若得到的实测热噪声曲线与理论热噪声曲线的趋势相同且数值差异在允许范围内，则说明该实验结果正确；若数值差异超过允许范围，则继续增大死时间、降低温度，再进行比较，直到得到在允许范围内的结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |