آشکارساز تعداد فوتون مبنی بر دیود نوری بهمنی

آشکار سازتعیین تعداد فوتون مبنی بر دیود نوری بهمنی

دیودهای نوری بهمنی ، عمدتا به عنوان آشکارسازهای کاربردی تک فوتونها به کار می روند . اگرچه ابزارهای مرسوم به یک یا تعداد بیشتری فوتون واکنش نشان می دهند، آنها نمی توانند تعداد را در پالس فرودی یا دوره کوتاه مدت تعیین کنند .
هرچند ، بعضی از آشکارسازهای تعیین تعداد فوتون به طور  ضروری برای کاربردهای محاسبات کوانتومی، ارتباطات وتداخل سنجی مورد نیازند ،به همان اندازه که برای توسعه قابلیت اجراءبه طور کلی آشکارسازی کوانتومی .
اکنون ما نشان می دهیم که برخلاف باور رایج ، فوتودیود بهمنی قادر برآشکارسازی تعداد فوتون با استفاده از تکنیکی هستند که بهمن های خیلی ضعیف را زودتر ازمرحله پیشروی آنها اندازه می گیرند.
تحت این شرایط سیگنال خروجی از فوتودیود بهمنی متناسب است با تعداد فوتونهای پالس فرودی.
به عنوان یک عامل متراکم – دستگاه تولید جرم - بدون مخلوط های سرمازا و در طول موجهای مخابراتی ، آن یک راه حل کاربردی برای آشکارسازی تعداد فوتون پیشنهاد میکند .
نشان داده شده است که شمارش کوانتومی می تواند تنها با استفاده از اجزای نوری خطی ، چشمه های تک فوتون و آشکار سازها انجام شود که می توانند تعداد فوتونها در یک پالس را اندازه گیری کنند. نقش آشکار ساز تعیین تعداد فوتون در این طرح نمی تواند اغراق آمیزشودچون آنها برای نظارت عملکرد گیتهای کوانتومی استفاده می شوند  .
در علامت گیت اصلی غیر خطی پیشنهاد شده توسط کنیل ، لافلیم و میلبرن ، برای مثال هر عملکرد منفرد

می تواند به 0،1 یا 2 فوتون درآشکار سازهای کمکی منتج شود و عملکرد موفقیت آمیز گیت به آشکار سازی کامل 0و1 فوتون دراین آشکار سازها نیاز دارد . گیت پر اهمیت دیگر برای ارتباطات کوانتومی و شمارش اجازه می دهد گسترش فاصله روی گره ای که می تواند توزیع شده باشد. این گیت مبادله گره به گزینش پستی مبنی بردرست یک یا دو فوتون که در یک آشکار ساز مجاز است نیاز دارد . آشکار سازهای تعیین تعداد فوتون هم چنین ابزار خیلی مهمی در توصیف خصوصیات چشمه های نورکوانتومی خواهند بود به همان خوبی که برای آشکار سازی به طور کلی سطوح پایین نور.

فوتودیودهای APDs)) معمولا بیشتر برای آشکار سازی فوتون منفرد استفاده می شوند به طوری که آنها ابزارهای ساده نیمه رسانا عظیم با کارایی های بالای آشکار سازی و تعداد اندک نویز کم نورهستند. زمانی که دیود بالای ولتاژشکست به طور معکوس بایاس شده است ، برانگیختگی نوری یک حامل منفرد ، با تکثیر حامل به واسطه ی اثر پی در پی یونیزاسیون ادامه پیدا می کند وجریانی ماکروسکوپیک را نتیجه می دهد که به سادگی می تواند آشکار سازی شود. کارایی آشکارسازی بالای 45 درصد، برای فتودیودهای بهمنی InGaAs/InP در طول موج مخابراتی گزارش شده است  ، در صورتی که مقادیرافزون بر 65 درصد برای طول موجهای کوتاهتر وسایل سیلیکونی Si)) معمول هستند. بنابراین با یکپارچه کردن منطقه جذب در یک حفره یکپارچه ی نیمه رسانا ، کارایی آشکار سازی افزون بر 90 درصد در شیوه ی خطی بیان شده است . آشکار سازها می توانند حتی در دمای اتاق استفاده شوند ، هرچند برای بهترین عملکرد اغلب آنها به طور ترموالکتریکی تا30- درجه سانتیگراد سرد می شوند .

تا امروز این تفکربوده است که فتودیودهای بهمنی از اندازه گیری تعداد فوتونها در پالس فرودی یا دوره کوتاه مدت ناتوانند.

هرچند بعضی از تکنولوژیهای دیگر قابلیت محدود تعیین تعداد فوتون را نشان داده اند ، آنها همه به خنک سازی با سرمازا ، یک سطح موثر کوچک یا زمان تلفیق طولانی نیاز دارند و اغلب کارایی پایینی دارند .

برای اینکه مزیتهای کاربردی فتودیودهای بهمنی به کار رود، بعضی ازطرحها که تفکیک تعداد فوتون را تخمین می زنند ، پیشتهاد شده بودند به این صورت که یک پالس فرودی شکافته شد و روی آشکار سازهای متعدد ، یا یک آشکارسازواحد در زمانهای مختلف ، ثبت شد.

در ادامه ، ما برای اولین بار نشان می دهیم فتودیودهای بهمنی منفرد می توانند فوتونها در یک پالس فرودی از نور لیزر را بدون هیچ نیازی برای شکافتن درفاصله یا زمان بشمارند .

در یک فتودیود بهمنیInGaAs/InP  یک (یا تعداد بیشتر) حفره ی نوری برانگیخته تکثیر بهمنی را در یک لایه ی InP در معرض میدان الکتریکی قوی به راه می اندازند. یک آبشار از رویدادهای اثر یونیزاسیون توسط حفره(ها)ی نوری شروع می شود که منتج می شود به جریان میسر بین الکترودهای فتودیود بهمنی و یک جریان بهمنی خود تغذیه که جاری می شود در میان وسیله . وقتی که بهمن در تمام حجم تکثیری فتودیود بهمنی ایجاد شده است جریان بر یک مقداراشباع می شود که به بایاس به کاربرده شده و به مجموع مقاومت مدار بسته است ، اما به تعداد حفره های نوری تولید شده که فرایند را به راه می اندازد بسته نیست. چون بهمن خود تغذیه است بایاس باید به زیر ولتاژ شکست کاهش پیدا کند تا بهمن را فرونشاند.

فتودیودهای بهمنی InGaAs  معمولا در روش گایگر گیت دار به کار رفته اند، برای آنکه پالسهای ولتاژ متناوب برای بایاس فتودیود بهمنی بالای ولتاژ شکست (V_BD) با یک بایاس اضافی(V_EX) برای دوره کوتاه چند نانو ثانیه ای به کار رفته اند که بهمن را فعال می کند و سپس فرو می نشاند . این شیوه برای توزیع کلید کوانتومی خیلی مناسب است و کاربردهای دیگر استفاده یک منبع پالسی . سیگنال خروجی فوتون انگیخته (بعنوان افت ولتاژ در میان یک مقاومت سری 50 اهم وابسته به جریان فتودیود بهمنی حساب شده است) اضافه شده بر پاسخ خازنی وسیله برای پالسهای ولتاژ بکار رفته ، همانطور که در تصویر 1.a نشان داده شده است.این سیگنال خازنی یک حد ، براساس دامنه ضعیفترین بهمن که می تواند برای عملکرد معمول آشکار سازی شود ، قرار می دهد .

برای اینکه تعداد فوتون فرودی را تعیین کند ، لازم است که جریان را به کوتاهی بعد از شروع تشکیل بهمن اندازه بگیرد . جریان کوچک مرتبط با یک چنین بهمن هایی می تواند آشکار سازی شود با حذف پاسخ خازنی فتودیود بهمنی مورد استفاده در مدارکه در تصویر 1.b نشان داده شده است، یک مدار توسعه یافته برای افزایش سرعت شمارش فوتون . در این مدار سیگنال خروجی فوتودیود نوری  به دومسیر شکافته شده است ، که یکی تاخیریک تناوب از ولتاژ بایاس تناوبی وابسته به مسیر دیگررانشان می دهد . برای ارائه داده ها در اینجا ولتاژ بایاس فوتودیود نوری بسامد622 مگاهرتز، متناظر با تاخیر1.61 نانوثانیه دارد . به این ترتیب  سیگنال پاسخ خازنی متناوب فوتودیود نوری عملا با تفاوت گذاشتن بین سیگنالها در دو مسیر حذف شده است ، چنانکه در شکل 1.b نشان داده شده است . این به تشخیص جریانهای بهمنی ده ها بار ضعیفتر از آنها که معمولا می توانند اندازه گیری شوند اجازه می دهد ، همانطور که در شکل 1.c نشان داده شده است.

 ضمنا بازده آشکار سازی فوتون مانند شیوه ی مرسوم گایگر است ، افزایش حدود 30 درصد برای یک ولتاژاضافی 2.2 ولت .

شکل 2 طرح می کند توزیع را در قله ی سیگنال ولتاژهای خروجی از فوتودیود نوری خود تفاضل گیر برای میانگین شار آشکارشده μ=1.49 فوتون بر پالس از یک لیزر پالسی1550 نانومتری.

اینجا بایاس اضافی بر 1.5vقرار گرفته است ، متناظر با بازده آشکار سازی 10 درصدی.

ترسیم یک سری ازبیشینه ها وشانه ها را نشان می دهد که در اطراف 4.7 ،8.4 ،11.5 ،14.6 ،17.6mV متمرکز شده اند که ما به جریان بهمنی تحریک شده توسط 0،1،2،3، یا 4 فوتون نسبت می دهیم.

با اندازه گیری جریان بهمنی قبل از اینکه در وسیله اشباع شود ، ما می توانیم بهمن های تحریک شده توسط تعداد متفاوتی از حفره های نوری برانگیخته تشخیص دهیم . با توجه به این ، برای شار فرودی مخصوص (1.49فوتون بر پالس) خروجی توسط سیگنالهای 1و2 فوتون ، بعنوان محرک ، برتری یافته است.

برای توضیح ،توجه کنید که قله ی 0 فوتون در شکل 2 متناظر با دوره ها یی است که  بهمن نیستند ،تنها نویز وابسته به یک مولفه جبران نشده پاسخ خازنی (~ 4.7mV)، به علت یک سیگنال کوچک عدم مطابقت بین دو بازوی مدار خود تفاضل گیر است. میزان تعداد تاریک در تمام اندازه گیری های ارائه شده در اینجا ناچیز است (کمتر از2*10^-6 در هر ورودی) .

 

جایگذاری خصوصیات در شکل 2 برای آشکار سازی وضعیت متفاوت تعداد فوتون توسط بستگی توزیع سیگنال خروجی در شدت پالس لیزرفرودی برقرار شده است . شکل 3 نمودارهای ستونی قله ی سیگنال ولتاژهای خروجی ثبت شده را برای شدت فرودی متفاوت نمایش می دهد . توجه کنید که در پایین ترین شدت نور، فقط قله 1 فوتون درامتدادخط به همراه قله 0 فوتون ممکن است مشاهده شود . هنگامیکه شدت لیزر کاهش می یابد قله های چند فوتونی به طور تصاعدی قویتر می شوند . توجه کنید که، همانطور که انتظار می رفت ، احتمال خروجی 0 فوتون با افزایش شار فوتون کاهش می یابد و خروجی 1 فوتون بین  0.80 و1.54 فوتون بر پالس قویترین است .

خطوط قرمز در شکل 3a تا3e (و خط قرمز در شکل2) متناسب با اطلاعات فرضی ، یک توزیع پویسنی از تعداد فوتون در شار فرودی را نشان می دهد.

گاوسی ها با توزیع ثبت شده برای کمترین شار فرودی متناسب بودند تا یک ولتاژ میانگین وپهنا برای سیگنال خروجی  0فوتون (1فوتون) به ترتیب 4.7mV(8.4mV) و 0.175mV(0.96mV) تعیین کند.

توزیع خروجی 1 فوتون از سیگنال 0 فوتون به علت تغییرات آماری در ابعاد بهمن راه انداخته شده توسط فوتون وسیعتر است ، چنانکه در زیربه تفصیل مورد بحث قرار گرفته است .

 پهناهای قله های –N مقیاس گذاشته شدند نسبت به  قله ی 1فوتون متناظر با N^0.5، زمانی که هرناحیه ی قله مطابق آمارمنتظره ی پویزونی بدون هیچگونه پارامترهای مناسب تعیین شدند .

داده ها و منحنی های حساب شده به طور کلی سازش خوبی نشان می دهد به جز آنکه ولتاژ خروجی میانگین تعداد بالاتربیان می کند که کمی اضافه تخمین زده شده است . این ممکن است وابسته به بهمنهای قویتر خود محدود کننده باشد که به علت افت پتانسیل ازمیان مقاومت سری فتودیود بهمنی است .

اوضاع تعداد بالاتر ممکن است بوسیله ی پالاینده توازن مدار خود تفاضل گیربهتر تعیین شود، برای اینکه به جریان بهمنی و برایند افت پتانسیل از میان فتودیود بهمنی اجازه می دهد کاهش یابد یا توسط کاهش مقاومت سری فتودیود بهمنی .

در مقابل نتایج که بالا نمایش داده شده است ، ما درمی یابیم که برای تعیین تعداد فوتون در عملکرد شیوه ی مرسوم گیت شده گایگر این ممکن نیست(شکل1.a) برای مقایسه ی ما در شکل 3fتا شکل3j توزیع سیگنالهای خروجی اندازه گیری شده در شیوه ی مرسوم با یک بسامد ورودی 100kHz  و شدتهای متفاوت پالس لیزر فرودی نشان دادیم. برای 0.11 فوتون بر پالس اینجا وجود دارد دو قله در توزیع متناظر با آشکار سازی 0و1 یا تعداد بیشتری فوتون . قله نورتحریک شده به خاطر اشباع جریان بهمنی برای بزرگترین ولتاژهای خروجی به طور کامل نامتقارن ظاهر می شود. توجه کنید که اگر ما شار را تا 10.6 فوتون بر پالس افزایش بدهیم توزیع گسترده نیست و خصوصیات جدیدی را ظاهر نمی کند . در مقابل ، توزیع با افت دنباله کم دامنه باریک می شود ، چرا که یک مقداروسیعتری از بهمن ها در شارهای بالای فوتون اشباع شده است . این درتقابل تند با رفتار دیده شده در شکل 3.a-e ، برای فتودیود بهمنی خود تفاضل گیر است . این تایید میکند که در شیوه ی مرسوم گایگر، فتودیود بهمنی می تواند فقط غیاب یا حضور حداقل یک فوتون را آشکار سازی کند ، اما نمی تواند تعداد فوتون را تعیین کند .

مهم است که فتودیود بهمنی خود تفاضل گیربا شیوه ی عملکردخطی فتودیود بهمنی در عوامل تقویت بهمن بسیارکمتر (~10) ، که اغلب برای آشکار سازی سطح نور کم-متوسط به کار می رود(بدون تفکیک پذیری فوتون منفرد)  ، مقایسه شود.

 برخلاف عملکرد شیوه ی مرسوم گایگر ، که جریان بهمن مستقل است از تعداد فوتون فرودی ، فتودیود بهمنی خود تفاضلگیر یک رفتار شبه شیوه ی خطی دارد ( آن یک جریان بهمنی که متناسب است با روشنایی شار تولید می کند) .

هرچند ، به طور قابل توجهی افزایش ضریب تقویت فتودیود بهمنی خود تفاضل گیر پنج مرتبه بزرگتر است نسبت به نمونه ای در شیوه خطی مرسوم.

در شیوه ی خطی تغییرات آماری در ضریب تقویت بهمن (M) خطا در اندازه گیری شدت نورفرودی بوسیله ی یک عامل نویز اضافی ایجاد می کند F=<M^2>/<M>^2 و معمولا با M افزایش می یابد. برای فتودیود بهمنیInGaAs عامل نویز اضافی به عنوان نمونه 5.5 در M=10 است . بنابراین حتی اگر ما بتوانیم خروجی خیلی ضعیف تولید شده توسط تعداد کم فوتون فرودی را در دستگاه با شیوه معمول خطی کم بهره ثبت کنیم ، تغییرات آماری درضریب تقویت از تعیین تعداد فوتون جلوگیری خواهد کرد .

 

در شکل 4 ما نویز اضافی (F) را زمانیکه یک عامل ضریب تقویت میانگین (M) ، در بایاسهای مختلف اضافی ثبت شده است ، رسم کردیم . اینجا F از عدم تطابق گاوسی متناسب با سیگنال 1 فوتون اندازه گیری شده تحت شرایط روشنی کم معلوم شده است . به طور قابل توجه ، فتودیود بهمنی خود تفاضل گیر یک نویز اضافی کم را برقرار می کند ، حتی برای <M> بالای 1*10⁶، که با میانگین ضریب تقویت افزایش نمی یابد . با ترکیب ضریب تقویت بالای داخلی و نویز کم ، فتودیود بهمنی خود تفاضل گیر توانست جایگزینی باشد برای شیوه ی خطی فتودیود بهمنی که حساسیت بالا در سطح خیلی پایین روشنایی مورد نیاز است .

 

برای نتیجه ، دیودهای نوری بهمنی می توانند تعداد فوتون را تعیین کنند . با استفاده از یک مدار خود تفاضل گیر برای بازخوانی فتودیود بهمنی ما قادر بودیم ، جریانهای خیلی کوچک را زودتر از مرحله پیشروی بهمن اندازه گیری کنیم . ما نشان دادیم که در این مورد مجموع جریان درمیان فتودیود بهمنی نسبتا درجه بندی شد با تعداد فوتونهای فرودی. این ممکن است نه تنها برای کاربردهای کوانتوم نوری ، بلکه همچنین برای شمارش تعداد فوتون در سطح پایین آشکار سازی نور مفید باشد .

آدرس مکاتبه و درخواست برای مواد :

[email protected]

 

عناوین شکل ها :

 

شکل 1) مقایسه ی شیوه ی گیت شده مرسوم گایگر با عملکرد فتودیود بهمنی در شیوه ی جدید خود تفاضلگیر

a ) شیوه ی مرسوم گیت شده گایگر . آشکارساز با پالسهای ولتاژ کوتاه(V_bias)  با بسامد تکرارƒ برای یک سطح(V_BR+V_EX) بالای ولتاژ شکست بهمن V_BR بایاس شده است.  پالسهای فوتون با بایاس گیت همزمان شده اند. هنگامیکه سیگنال فوتون تحریک شده خروجی منطبق شده است بر روی پاسخ خازنی فتودیود بهمنی به بایاس به کار رفته ، تنها بهمن قوی می تواند اشکار شود .

b ) حذف پاسخ خازنی فتودیود بهمنی به همراه مدار خود تفاضلگیر (کادر سبزرنگ) به کار رفته در این کار آشکار سازی بهمنهای اشباع نشده را ، برای هر ولتاژ خارجی درجه بندی با تعداد فوتونهای آشکار شده ، اجازه می دهد .

c ) مقایسه ی جریانهای بهمنی اندازه گیری شده درشیوه معمول گیت شده ی گایگر (خط مقطع) و برای شیوه خود تفاضلگیر (خط توپر) برای یک بهمن آشکار شده شار=0.01  μ فوتون بر پالس . با استفاده از فتودیود بهمنی خودتفاضل گیر بهمنهای خیلی ضعیفتر ممکن است آشکار سازی شود.

 

شکل 2) توزیع قله سیگنال خروجی تولید شده با فتودیود بهمنی خودتفاضلگیر

فتودیود بهمنی روشن شده بوسیله یک لیزر پالسی 1550nm با میانگین شدت آشکار شده =1.49μ فوتون بر پالس . خطوط تطابق با داده های توضیح داده شده در متن را نشان می دهد.

 

شکل 3) مقایسه ی سیگنالهای خروجی ثبت شده برای خودتفاضلگیر وروش مرسوم

3a-e ) توزیعهای قله ی سیگنال خروجی تولیدشده توسط مدار خود تفاضلگیر (اطلاعات اشاره شد) برای شدت لیزر فرودی متفاوت چنانکه نشاندارشده است ، با یکدیگر به همراه توزیع محاسبه شده (خط قرمز رنگ) .

3f-j ) توزیع های قله ی سیگنال خروجی اندازه گیری شده فوتودیود در روش مرسوم گیتشده  گایگر تحت سطوح مختلف روشنایی .

شکل4) تحلیل عامل نویز ، عامل بدون بعد نویز اضافی (F) در شیوه ی خودتفاضلگیر بعنوان یک تابع ضریب تقویت متوسط <M> .

 

                           

                                

* منبع مقاله:http://arxiv.org/abs/0807.0330

* ترجمه و ارسال: " sara2008 " - از اعضای تیم علمی - تخصصی مترجمین هوپا

* ارتباط با مترجم:  اینجا را کلیک کنید

* ارتباط با تیم علمی - تخصصی مترجمین هوپا:  اینجا را کلیک کنید

* ارتباط با ویراستار تیم و تذکر اشتباهات نگارشی: [email protected]

"توجه":استفاده از این مقاله یا مقالات و اخبار دیگر شبکه ی فیزیک هوپا "تنها و تنها" با ذکر منبع، نام مترجم، منبع اصلی مقاله و نقل قول از هوپا مجاز میباشد. هر گونه بی توجهی به این موضوع متخلفین را تحت پیگیرد های قانونی قانون کپی رایت قرار خواهد داد.