Однофотонные детекторы. Обзор.
Введение
Детекторы одиночных фотонов – это высокочувствительные устройства, которые могут обнаруживать излучение с очень низкими уровнями интенсивности, вплоть до уровня одиночных фотонов. Детекторы одиночных фотонов являются важным инструментом в области квантовой оптики и квантовой информатики. Такие детекторы важны, поскольку они позволяют продемонстрировать квантовые явления, как, например, квантовая телепортация, которые невозможно наблюдать классическими детекторами. В настоящее время существуют несколько типов однофотонных детекторов:
- однофотонные лавинные фотодиоды (ОЛФД, SPAD – Single Photon Avalanche Diode);
- сверхпроводниковые однофотонные детекторы (СОД, SSPD – Superconducting Single Photon Detectors), в частности, детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок (SNSPD – Superconducting Nanowire Single Photon Detectors);
- фотоэлектронные умножители (ФЭУ, PMT – Photomultiplier tube).
Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, и выбор детектора зависит от конкретного применения. Лавинные фотодиоды широко используются для обнаружения одиночных фотонов благодаря их высокой чувствительности и относительно низкой стоимости. Однако они имеют ограничения с точки зрения временного разрешения и эффективности обнаружения. С другой стороны, сверхпроводниковые однофотонные детекторы и ФЭУ обеспечивают высокую эффективность обнаружения и разрешение по времени, но стоят дороже.
Одно из основных применений однофотонных детекторов на сегодняшний день – это квантовая криптография, где они используются в системах квантового распределения ключей. Такие системы обеспечивают неперехватываемое распределение ключей шифрования, т.е. все манипуляции злоумышленника с пересылаемыми квантовыми состояниями (в частности перехват) будут видны легитимным пользователям на этапе пост обработки. Также однофотонные детекторы используются в квантовой телепортации и квантовых вычислениях. Отметим, что их использование позволило провести такие новаторские эксперименты в области квантовой оптики, как:
- Тест неравенства Белла – в 1964 году физик Джон Белл [1] предложил математическую теорему, которая позволила бы проверить квантовую механику на соответствие локальному реализму. В 1982 году физик Ален Аспект [2] и его команда провели эксперимент с использованием пар фотонов, чтобы показать, что неравенство Белла нарушено, что указывает на то, что квантовая механика не подчиняется локальному реализму. В эксперименте использовались однофотонные детекторы для измерения состояний поляризации фотонов.
- Квантовая телепортация – в 1997 году физик Антон Цайлингер [3] и его команда успешно телепортировали фотон из одного места в другое на расстояние в несколько метров. В эксперименте использовались детекторы одиночных фотонов для измерения состояний поляризации фотонов и проверки того, что телепортация была успешной. В 2022 году эта и другие работы А. Цайлингера были удостоены Нобелевской премии [4].
- Квантовое распределение ключей – в 2002 году исследователи из Женевского университета использовали однофотонные детекторы [5] для реализации системы квантового распределения ключей, которая могла безопасно передавать криптографические ключи на расстояние 67 км. Это был значительный шаг на пути к квантовым коммуникациям.
Однофотонные лавинные фотодиоды
ОЛФД – полупроводниковые устройства, в которые за счет ударной ионизации происходит многократное увеличение носителей заряда, что ведет к появлению макроскопического тока, который легко зарегистрировать. Подробное описание устройства ОЛФД можно найти в работе [6]. Мы лишь отметим, что детектор должен быть подключен в фотодиодном режиме (с обратным смещением) т.е. p-сторона перехода подключена к отрицательной клемме источника напряжения, а n-сторона подключена к положительной клемме. Кроме того, для возможности детектировать единичные фотоны, ОЛФД, по крайней мере в момент прилета фотона должен находится выше порога пробоя.
ОЛФД состоят из p-n перехода с обратным смещением (рис. 1), что означает, что p-сторона перехода (справа на рис. 1(б)) подключена к отрицательной клемме источника напряжения, а n-сторона (слева на рис. 1(б)) подключена к положительной клемме. Когда фотон (ph на рис. 1(б)) поглощается в области обеднения p-n-перехода, он создает электронно-дырочную пару (e-h на рис. 1(б)). Напряжение обратного смещения ускоряет электроны в направлении n-стороны, а дырки – в направлении p- стороны перехода, создавая ток, пропорциональный количеству созданных электронов и дырок. Благодаря наличию квантовой ямы в нелегированном слое InGaAs вероятность поглощения фотона существенно повышается, поэтому этот слой является поглощающим (см. рис. 1(а) [6]).
Ограничение по времени работы ОЛФД связано с накоплением электронов и дырок, локализованных на дефектах полупроводника, что приводит к ложным срабатываниям. Когда ускоренные полем электроны или дырки сталкиваются с дефектами в кристаллической решетке, создаются дополнительные электронно-дырочные пары, которые также ускоряются и создают новые электронно-дырочные пары, что приводит к лавинному умножению носителей. Все это происходит в нелегированном слое InP, вероятность рождения лавины в котором наибольшая, поэтому этот слой называется усиливающим (см. рис. 1 (а)). Лавинный процесс приводит к гораздо большему сигналу, чем тот, который был бы произведен одним фотоном, что делает ОЛФД высокочувствительным детектором.
.jpg)
.jpg)
(a) Последовательность полупроводниковых слоев фотодиода c указанием профиля электрического поля в сечении, обозначенном пунктиром [6]
(б) Схематический профиль полупроводниковых зон гетероструктуры с квантовой ямой и ее уровнем энергии E0
[6]
Важными параметрами и характеристиками ЛФД являются [9]:
- Квантовая эффективность детектирования (англ. photon detection efficiency, PDE);
- темп темнового счета (англ. dark count rate, DCR);
- время постимпульсной релаксации (англ., afterpulsing time или dead time);
- максимальный темп счета (англ. maximal count rate, Cmax);
- разброс времени срабатывания детектора (англ. timing jitter, Δt);
- спектральная чувствительность.
Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы
СОД (или SSPD) основаны на сверхпроводящих материалах, которые становятся резистивными при поглощении фотона, создавая обнаруживаемый сигнал. Такие детекторы обеспечивают высокую эффективность обнаружения и высокое разрешение по времени, но требуют криогенных температур и стоят дороже, чем ОЛФД. Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы состоят из тонкой нанопроволоки, изготовленной из сверхпроводящего материала, такого как нитрид ниобия или силицид вольфрама (рис. 2 (а)), который охлаждается ниже критической температуры. Когда фотон поглощается нанопроволокой, он разрушает куперовские пары, которые представляют собой пары электронов, связанных вместе в сверхпроводящем состоянии. Это приводит к локальному уменьшению сверхпроводящего энергетического зазора, в результате чего нанопроволока становится резистивной и генерирует обнаруживаемый электрический сигнал (рис. 2(б)).

.jpg)

(a) Микрофотография активной части детектора [7]
(б) Принцип работы детектора
(в) Криостат с детектором [7]
Резистивное состояние нанопроволоки нестабильно и быстро возвращается в сверхпроводящее состояние. Однако, если на нанопроволоку подавать ток смещения (см рис. 2(б)), который немного превышает критический ток, резистивное состояние может поддерживаться, что приводит к более долгоживущему сигналу, который может быть обнаружен.
Итак, по сравнению с другими типами однофотонных детекторов, СОД обладают высокой эффективностью детектирования, низкой частотой темновых отсчетов, а также высоким быстродействием и временным разрешением. Кроме того, в СОД нет эффекта постимпульсных срабатываний. Все эти качества делают их привлекательными для использования в системах КРК. Однако необходимость использования криогенной системы обуславливает высокую стоимость и большие габариты таких детекторов, что пока ограничивает их коммерческое использование.
Фотоэлектронные умножители
ФЭУ основаны на внешнем фотоэффекте с каскадным усилением тока, который усиливает сигнал, генерируемый одним фотоном. ФЭУ представляет собой вакуумную трубку (рис. 3(а)) и состоит из фотокатода и серии динодов (рис. 3(б)). Фотокатод изготавливается из материала, который при поглощении фотона высвобождает электроны. Диноды же представляют собой металлические пластины, находящиеся под положительным электрическим потенциалом, причем у каждой следующей пластины потенциал выше.

.jpg)
Рис. 3. Однофотонные фотоумножители
(a) Внешний вид фотоумножителя [11]
(б) Принцип работы фотоумножителя [12]
Когда электрон высвобождается из фотокатода, он ускоряется по направлению к первому диноду за счет разности потенциалов. Когда электрон попадает на динод, он высвобождает несколько дополнительных электронов, которые затем ускоряются по направлению к следующему диноду. Этот процесс продолжается и в результате образуется каскад электронов, который приводит к значительному усилению сигнала по сравнению с сигналом, генерируемым одним фотоном. Выходной сигнал ФЭУ представляет собой импульс тока, пропорциональный количеству обнаруженных фотонов. В ФЭУ используют электронные схемы для подсчета количества генерируемых импульсов и преобразования их в количество обнаруженных фотонов. ФЭУ обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами однофотонных детекторов, среди них:
- высокое быстродействие (или разрешение);
- широкий спектральный диапазон;
- возможность работать при комнатной температуре.
Однако ФЭУ имеют невысокую эффективность фотонов и высокие темновые шумы в инфракрасной области спектра, требуют высоковольтных источников питания (порядка 1000 В), а также чувствительны к внешним магнитным полям. ФЭУ достаточно компактны по сравнению со сверхпроводниковыми детекторами, но уступают лавинным детекторам.
Характеристики детекторов
Часть характеристик уже упоминались выше, теперь можно сравнить их в единой таблице и кратко описать их суть. Первой общей характеристикой является квантовая эффективность – это вероятность срабатывания детектора при появлении фотона в нем. Здесь пока безусловным лидером являются сверхпроводящие однофотонные детекторы (СОД, таблица 1), так как в них напрямую регистрируется электрический сигнал, протекающий через наноразмерные структуры. Этот сигнал имеет достаточную мощность для эффективного обнаружения известными электрическими методами. При детектировании же с использованием фотоэффекта, как внутреннего в случае ОЛФД, так и внешнего в случае ФЭУ, носители, появившиеся в результате поглощения фотона, умножаются, то есть сигнал усиливается, за счет дополнительных эффектов, ударной ионизации или вторичной электронной эмиссии. Эти процессы носят вероятностный характер, что существенно уменьшает квантовую эффективность. Заметнее это проявляется в ФЭУ, поскольку нужно многократное повторение на разных динодах. Однако повторение это хоть и многократное, но фиксированное, в отличие от лавинного пробоя, в котором рождение электрон-дырочных пар идет по всей активной усиливающей области. В результате поведение ФЭУ является более предсказуемым, и коэффициент усиления можно считать фиксированным, что позволяет не только обнаруживать единичные фотоны, но и определять число фотонов в группе. Справедливости ради стоит отметить, что в определенной геометрии СОД также способны работать в режиме счета количества фотонов [8]. Для определения числа фотонов можно также использовать матрицы ОЛФД [9].
Таблица 1. Характеристики однофотонных детекторов для длины волны 1550 нм
Тип детекторов |
Квантовая эффективность, % |
Темп темновых отчетов, Гц |
Время постимпульсной релаксации, мкс |
Джит-тер сигнала, нс |
Рабо-чая тем-пера-тура, К |
СОД (см. [7]) |
85 |
10 |
0,010 |
0,045 |
3 |
ФЭУ(см. [9]) |
2 |
200 000 |
0,1 |
0,3 |
200 |
OЛФД (см. [13]) |
20 |
500 |
0,1 |
0,37 |
233,15 |
Приведенные данные были заимствованы из данных производителей и литературы [7, 9].
Следующей важной характеристикой является темп темнового счета, который показывает количество срабатываний детектора, произошедших в единицу времени при отсутствии фотонов. Практически для всех детекторов эта величина связана с температурой детектора: чем ниже температура, тем меньше темп темнового счета. В то же время от температуры детектора зависит его квантовая эффективность. При ненулевой температуре всегда есть вероятность детектирования фотона, так как температура влияет на возбуждение носителей тока, которые могут сформировать сигнал и при отсутствии внешнего излучения. Чтобы уменьшить перечисленные факторы, используют режим стробирования, основанный на зависимости эффективности детектирования (регистрации) от приложенного напряжения или тока. При этом формируют импульс тока или напряжения, переводящий детектор в состояние высокой квантовой эффективности в ожидаемый момент прихода фотона. Как видно из таблицы 1 абсолютным лидером с минимальным темпом темновых отчетов являются СОД и причиной тому крайне низкая рабочая температура таких детекторов (T = 3 K).
Важным параметром детекторов, также зависящим от температуры, является время постимпульсной релаксации или мертвое время. По определению это время, в течение которого детектор восстанавливает свои рабочие характеристики после выработки сигнала. Ухудшение характеристик связано с тем, что все детекторы, регистрируя фотон, значительно изменяют свое состояние. В частности, СОД переходит в резистивное состояние, в ОЛФД возникает лавина носителей, а в ФЭУ резко возрастает количество электронов в вакууме между электродами. Все эти процессы требуют времени для возвращения детектора в исходное состояние, что ограничивает скорость счета фотонов. Как видно из таблицы 1, ОЛФД имеют наихудшее мертвое время, так как в полупроводниковых гетероструктурах зачастую присутствуют дефекты (называемые ловушками), захватывающие носители из лавины. Однако существуют способы уменьшения лавинного тока и воздействия на дефекты, которые могут улучшить скорость возвращения детектора в рабочее состояние. Следующими по скорости восстановления идут ФЭУ, так как в вакууме для электронов нет ловушек, которые могли бы их захватить, и время восстановления связано лишь с выделяемым на динодах теплом. Наименьшим временем релаксации обладают сверхпроводящие детектор из-за практически нулевого сопротивления.
Наконец, последним параметром, который часто упоминается в литературе, является разброс времени задержки сигнала детектора (джиттер, timing jitter). Это дисперсия задержки срабатывания детектора относительно времени прихода фотона в детектор. Джиттер измеряется по изменению задержки импульса детектирования относительно синхронизирующего импульса и накладывает дополнительные требования к длительности стробирующего импульса. С точки зрения джиттера, СОД снова оказываются предпочтительнее, чем остальные виды детекторов, что связано со сверхпроводимостью. У ОЛФД и ФЭУ джиттер практически одинаковый, поскольку он определяется вероятностным характером поглощения фотона в фоточувствительном материале, который одинаков у этих двух типов детекторов.
Существенным отличием между детекторами является их цена, а также стоимость приборов, поддерживающих рабочие режимы детекторов. Самыми дешевыми и практичными в этом смысле являются ОЛФД, что и объясняет их крайне широкое распространение в коммерческих продуктах.
Заключение
В работе приведен обзор однофотонных детекторов, описаны основные физические принципы их работы и приведены наиболее важные характеристики, на которые ориентируются при работе с детекторами. При этом характеристики рассматривались для однофотонных детекторов телекоммуникационного диапазона для излучения с длиной волны 1550 нм. В настоящей статье были рассмотрены хорошо известные технологии по созданию однофотонных детекторов. Эти приборы являются весьма востребованными в науке и практических приложениях. В настоящее время развивается ряд новых перспективных подходов, заслуживающих отдельного рассмотрения
Список литературы
- J.S. Bell. “Оn the Einstein-Podolsky-Rosen paradox”. Physics 1, pp 195-200 (1964).
- A. Aspect, J. Dalibard, and G. Roger. “Experimental test of Bell inequalities using time-varying analyzers”. Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).
- D. Bouwmeester, J-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, Н. Weinfurter, A. Zeilinger. "Experimental quantum teleportation". Nature 390 (6660): pp. 575-579. arXiv:1901.11004. Bibcode: 1997Natur.390..575B. doi:10.1038/37539
- https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/
- N. Gisin; G. Ribordy; W. Tittel; H. Zbinden. "Quantum cryptography". Reviews of Modern Physics. 74: pp. 145–195. arXiv:quant-ph/0101098. Bibcode:2002RvMP74.145G. doi:10.1103/RevModPhys.74.145. S2CID 6979295 (2002).
- M. A. Itzler, R. Ben-Michael, C. -F. Hsu, K. Slomkowski, A. Tosi, S. Cova, F. Zappa & R. Ispasoiu. “Single photon avalanche diodes (SPADs) for 1.5 μm photon counting applications”, Journal of Modern Optics, 54:2-3, pp. 283-304, DOI: 10.1080/09500340600792291 (2007). M. A. Itzler , X. Jiang , M/ Entwistle , K. Slomkowski , A. Tosi , F. Acerbi , F. Zappa, S. Cova. “Advances in InGaAsP-based avalanche diode single photon detectors”, Journal of Modern Optics, 58:3-4, 174-200, DOI: 10.1080/09500340.2010.547262 (2011).
- http://www.scontel.ru/data/uploads/datasheet/brochure_sspd-newest.pdf
- A. Divochiy, F. Marsili, D. Bitauld, A. Gaggero, R.Leoni, F. Mattioli, A. Korneev, V. Seleznev, N. Kaurova, O. Minaeva, et al., Nature Phot. 2, 302 (2008).
- Eisaman M. D. et al. “Invited review article: Single-photon sources and detectors. Review of scientific instruments”. 82 р. 071101 (2011).
- B. E. Kardynal, Z. L. Yuan, and A. J. Shields, Nature Phot. 2, 425 (2008).
- https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/pmt.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect
- Спецификация однофотонных лавинных диодов компании Wooriro
Подпишитесь на рассылку, чтобы не пропустить все самое интересное
Подписаться