單光子探測器校準技術研究進展

劉長明,張鵬舉,林永杰,沈榮仁,劉紅波,史學舜,莊新港,吳 斌

(中國電子科技集團公司第四十一研究所,青島 266500)

1 引言

隨著光量子技術的快速發展,單光子探測技術在量子密鑰分發、量子光學、天文觀測、生物熒光檢測等領域應用越來越廣泛[1-4]。隨著相關工藝的發展,單光子探測器性能得到較大提升,同時國內外各研究機構也開展了相關測試、校準技術研究,具有代表性的計量機構有美國國家標準與技術研究院(NIST)[5,6]、英國國家物理實驗室(NPL)[7,8]、意大利國家計量院[9,10]、中國科學院合肥物質研究院[11]、中國電科41 所[12];代表研究項目主要是歐盟MIQC 項目[13]。單光子探測器特性參數主要有暗計數率、探測效率、后脈沖概率、死時間、時間抖動和飽和計數率等。其中,探測效率作為單光子探測器的核心參數,是校準技術的研究重點,暗計數率、后脈沖概率決定了探測信噪比,而時間抖動則決定了測距精度,文中將重點圍繞以上幾個參數的校準簡要介紹國內外研究進展。

2 單光子探測器

單光子探測器從工作機理上分基于光電效應和光熱效應兩類,基于光電效應的主要有單光子雪崩光電二極管(APD)和光電倍增管(PMT)[14];基于光熱效應的主要有超導納米線和超導邊緣轉換單光子探測器[15,16]。從探測性能、工作環境要求、系統復雜度、尺寸功耗等多方面比較來看,APD 綜合性能優勢明顯,是目前應用最廣泛的單光子探測器件。

APD 單光子探測器主要有可見—近紅外波段響應的Si-APD 和近紅外波段響應的InGaAs/InPAPD 兩類,其中Si-APD 暗計數率和后脈沖概率已能控制在較低水平,通常工作在自由運轉模式;受材料和工藝限制,當前InGaAs/InP-APD 的性能仍不能提升至Si-APD 單光子探測器水平,所以為降低暗計數率和抑制后脈沖概率,InGaAs/InP-APD 單光子探測器通常工作在蓋革模式下,典型工作示意如圖1 所示。單光子探測器探測到一個光子后,以一定概率產生一次光子計數,為抑制雪崩,淬滅電路介入使探測器進入一段死時間,死時間過后后脈沖計數出現的概率遠高于暗計數率出現的概率,隨后逐漸降低至與暗計數率同等水平。

受材料缺陷、工藝水平、驅動和淬滅電路等的限制,目前主流的量子保密通信波段APD 單光子探測器的探測效率最高到30 %,暗計數率約10-6/門,時間抖動在百ps 量級。后脈沖概率根據工作參數的不同差異較大[17],探測效率由10% 變化至30%時,后脈沖概率可能由1 %增大至100 %。超導類單光子探測器探測效率最高可達90 %,暗計數率率最低＜10 Hz,但由于其運行環境較為苛刻,如需要超低溫工作環境,只適合在部分場合內使用。由于單光子探測器工作物理機制較為復雜,各參數之間并不是獨立不相關,產品在定型時性能指標的設定須考慮其各性能參數之間的平衡。作為單光子探測器最核心的參數,各種應用都需要探測效率盡量高,但提高探測效率的同時暗計數率、后脈沖概率會顯著提高;引入死時間降低后脈沖概率的同時會降低探測效率,所以單光子探測器的性能參數需要根據當前的工作條件進行設定與校準。

3 單光子探測器校準技術研究現狀

3.1 基于標準探測器的探測效率校準

基于標準探測器的探測效率校準分直接法和間接法兩種。直接法是利用低噪聲探測器對單光子強度進行直接校準;間接法是利用標準光電探測器對激光初始光功率值和多級濾光片的衰減值分別進行校準后,間接得出最終輸出的單光子強度。間接法的優點在于系統組成較為簡單,覆蓋波段寬,難點在于如何將大動態范圍的光衰減進行準確標定。該方案的普適性較高,各國計量測試研究機構均開展了相關研究,并通過縮短溯源鏈路、提高光源的功率穩定性、采用線性優異的光電二極管來對衰減器分別進行標定等措施,使得測量準確度得到明顯提高。國外代表研究機構有德國聯邦物理技術研究院(PTB)[18],測量裝置示意圖如圖2 所示,可見光波段單光子探測器探測效率測量不確定度約0.2 %(k=1)。國內代表研究機構有中國電科41 所等單位[19],測量裝置示意圖如圖3 所示,所示探測效率測量不確定度0.3 %(k=1)。

圖2 PTB 利用標準探測器校準單光子探測器探測效率示意圖Fig.2 Sketch map of detection efficiency of single photon detectors calibrated by PTB

圖3 中國電科41 所單光子探測器探測效率校準裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of single photon detector detection efficiency calibration device at the 41st Institute of CETC

隨著微弱電流信號測量準確度的提高,直接利用低噪聲探測器對單光子強度進行校準成為可能,代表研究機構有美國NIST[20]、捷克國家計量院CMI[21]、韓國國家計量院[22-24]等。2016 年,德國PTB 與捷克CMI 進行了一次比對實驗,利用低噪聲探測器直接測量和激光衰減產生標準單光子源對單光子探測器探測效率進行測量開展了比對實驗,比對實驗裝置如圖4 所示,比對結果顯示En值小于0.6,具有較好的一致性[25,26]。

圖4 德國PTB 與捷克CMI 比對實驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of comparative experiment between PTB and CMI

3.2 基于相關光子對的探測效率校準

基于相關光子對的探測效率校準原理為:通過非線性晶體的參量下轉換效應產生成對的相關光子,通過分光使兩路光子沿不同的通道傳輸,并利用單光子探測器對兩路光子進行探測。若其中一路探測到光子,因能量守恒則預示著另一路必然會有相關聯的光子存在。對兩路單光子探測器的計數信號進行符合測量,結合已知的兩路計數信號和待測通道光路透過率后即可計算得到探測效率值。因該校準方法溯源至客觀量子物理規律,有別于傳統的溯源至客觀標準的方法,所以是一種典型的“無標準傳遞”校準方案,同時符合計量量子化和扁平化的發展趨勢。開展基于相關光子對進行探測效率校準的國外研究機構主要有美國NIST[27]、意大利國家計量院[28]、英國NPL[29]等,探測效率測量不確定度約0.2 %(k=1);國內主要有中國計量科學研究院、中科院合肥物質研究院、中國電科41 所等單位,探測效率測量不確定度＜0.5 % (k=1)[30-33]。相關光子對法作為一種新型的校準方法,從保證其測量準確度的角度出發,需要利用現有的量值手段進行比對驗證,從而證明其有效和可行性。國內外開展相關光子法和標準探測器法比對驗證研究的典型代表機構有美國NIST[27]、英國NPL[29],可見光波段利用標準探測器和相關光子法校準單光子探測器探測效率比對值En＜1。

3.3 后脈沖概率校準

單光子探測器探測到光子引發雪崩過程會產生大量載流子,絕大多數載流子會通過雪崩抑制電路釋放,但仍有小部分載流子會被低能級缺陷捕獲,當雪崩被抑制經過一段死時間后,這些被缺陷捕獲的載流子開始釋放并再次觸發雪崩從而引發后脈沖計數,因此在沒有光子信號入射時單光子探測器輸出的誤計數便是后脈沖計數[34]。一次光子計數可能引起初級及次級后脈沖計數,同理,這些后脈沖計數還會引起多級后脈沖計數,以上多級后脈沖計數之和與光子計數的比值便是后脈沖概率。因此,后脈沖概率測量的關鍵在于如何將探測器進行一次有效計數后引起的后脈沖計數全部測量出來。Si-APD 單光子探測器后脈沖概率可控制在1 %以內,通常工作在自由運轉模式,而為了降低后脈沖概率,InGaAs/InP-APD 單光子探測器通常工作在蓋革模式。針對蓋革模式下后脈沖概率的測量,美國Princeton Lightwave 公司在2012 年,提出了一種基于“雙時序”的后脈沖概率測量方案,如圖5 所示[35],測量時設置激光頻率遠小于探測器的工作頻率,圖5 中激光頻率與單光子探測器頻率之比設定為1 ∶128。分別記錄與激光同步的計數信號以及探測器輸出的總計數信號,可將初級和衍生的高階后脈沖計數進行整體測量,是目前測量準確度較高的一種測量方案,廣泛應用于后脈沖概率的校準中。

圖5 后脈沖概率測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of afterpulsing probability measurement

3.4 時間抖動校準

時間抖動是表征單光子探測器時間精度特性的參數。單光子探測器探測到光子至輸出脈沖信號的過程需要一定的時間,這種時間的差異便是單光子探測器的時間抖動。典型時間抖動校準示意如圖6 所示,基于同一時序發生器分別觸發脈沖光源和待測單光子探測器,短脈沖光源經衰減后入射待測單光子探測器,分別將單光子探測器計數信號和脈沖光源同步觸發接入時間相關測量。通過時間相關測量儀器的符合測量模式,測量計數信號與觸發信號之間的延時分布,延時分布曲線全波半高寬為整個校準裝置的時間抖動ΔT,該值由脈沖光源脈沖寬度Tlaser、單光子探測器時間抖動Tjitter和時間相關測量儀器自身時間抖動Ttac共同決定:

圖6 典型時間抖動測量裝置組成圖Fig.6 Typical composition diagram of time jitter measuring devices

利用示波器等儀器分別測得脈沖光源脈沖寬度Tlaser和時間相關測量儀器自身時間抖動Ttac后帶入式(1),最終得到單光子探測器時間抖動Tjitter,測量不確定度一般在5 %以內。

4 結束語

對單光子探測器校準技術的研究進展進行了簡述,國內外計量研究機構在基于傳統光輻射量傳體系與溯源至客觀量子物理現象的新型校準技術方向均開展了大量研究,在計量量子化變革的背景下,溯源至量子物理現象的新機制計量測試設備,能夠直接將最高測量準確度在現場復現,是未來單光子探測器校準技術的主要發展方向之一。