本發(fā)明涉及一種單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)及其測試方法，屬于微光探測技術領域。

背景技術：

單光子探測技術，是檢測微弱光信號的有力手段，在量子通信、激光測距等都有廣泛的應用。目前限制單光子探測器量子效率的主要因素是暗計數(shù)和后脈沖，是導致量子通信中誤碼率的重要因素。光電探測器件(如雪崩光電二極管)是單光子探測器的一個重要組成部分，與探測器暗計數(shù)、后脈沖概率對應的參數(shù)分別是暗電流以及被俘獲載流子的再釋放產(chǎn)生的電流，因此，為了減小單光子探測器的暗計數(shù)和后脈沖概率，就要分析雪崩二極管暗電流的來源，研究減小暗電流、后脈沖效應的方法，才能提高單光子探測器的性能。工作于蓋革模式下的單光子探測器的噪聲主要來源于三類：熱噪聲引起的隨機噪聲、高反偏壓下載流子發(fā)生隧穿效應造成雪崩、俘獲中心再釋放載流子即后脈沖效應。后脈沖效應在實驗上較為容易區(qū)分，而熱噪聲和隧穿電流雖然在理論上有嚴格的公式推導，但在實驗上分別得到還是較為困難。確定暗電流的構成也是當下單光子領域一個研究熱點。

雪崩二極管是一種靈敏度極高的二極管，稍大的電流就可以使之毀壞，因此在對其進行測試時一定要注意對電流的限制。現(xiàn)有的靜態(tài)測試中，其I-V、C-V曲線需要借助于半導體參數(shù)分析儀，但是不能實現(xiàn)實時控制；也可以借助數(shù)字源表，可以實現(xiàn)實時控制，但是不能得到C-V曲線。而對于溫度的控制需要借助于變溫電路，目前主要采用半導體制冷，制冷速度快且成本低。單光子探測器通常要包含光電探測器件(如雪崩光電二極管)、器件驅動電路和輸出信號提取電路，對其整個系統(tǒng)的暗計數(shù)等的測試稱之為動態(tài)測試。而對于同樣的雪崩二極管而言，靜態(tài)和動態(tài)的測試得到的結果是不一樣的，靜態(tài)測試可以得到總的暗電流，而動態(tài)測試可以得到暗計數(shù)特征。且靜態(tài)測試系統(tǒng)和動態(tài)測試系統(tǒng)對于很多參數(shù)的定義方式有較大差別，如雪崩擊穿電壓。在靜態(tài)測試中，雪崩擊穿電壓為雪暗電流達到某一值時的偏置電壓值；而在動態(tài)電路中，為第一次出現(xiàn)超過某一輸出脈沖時的偏置電壓值。事實證明，這兩者差異很大。因此，有必要聯(lián)合測試，以實現(xiàn)高效精確測量的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服以上技術的不足，提供了一種單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)及其測試方法，該測試方法將動態(tài)測試和靜態(tài)測試簡潔高效地結合起來進行測試，實現(xiàn)了動態(tài)和靜態(tài)的統(tǒng)一調試，以達到確定暗電流構成的目的。

本發(fā)明克服其技術問題所采用的技術方案是：

一種單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)，包括數(shù)字源表、變溫裝置、測試電路和示波器，雪崩二極管放置于變溫裝置中的保溫盒中，雪崩二極管的陰極與數(shù)字源表的輸出端連接、雪崩二極管的陽極與測試電路的輸入端連接，雪崩二極管的輸出波形連接至示波器的輸入端，測試電路的輸出端連接至計算機。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，數(shù)字源表采用Keithley 2400數(shù)字源表。

本發(fā)明還提供了一種利用上述單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)的測試方法，步驟如下：

S1、固定一個溫度值，該溫度取值范圍為-50℃～20℃，數(shù)字源表對雪崩二極管加偏壓，觀察數(shù)字源表上的電流示數(shù)、示波器顯示波形和計算機采集的暗計數(shù)；

S2、逐漸增大偏壓至雪崩擊穿電壓，這時數(shù)字源表上顯示的電流逐漸變大，同時示波器上顯示的波形開始出現(xiàn)雪崩脈沖，暗計數(shù)也出現(xiàn)非0的數(shù)字；雪崩擊穿電壓狀態(tài)下，數(shù)字源表上顯示的電流為總的暗電流I_dark，示波器上出現(xiàn)的雪崩電壓波形通過歐姆定律計算得到相對應的電流值，對電流曲線進行積分，得到單個雪崩電荷量Q，

其中，T₁代表雪崩信號開始出現(xiàn)時示波器所顯示的時刻，T₂代表雪崩信號即將消失時所顯示的時刻；

S3、從測試電路得到暗計數(shù)的數(shù)值n，然后得到總雪崩電荷量Q_a為單個雪崩電荷量Q與暗計數(shù)值n的乘積，進而得到雪崩暗電流I_a，

即，I_a是由于熱噪聲和隧穿效應引起的暗電流與后脈沖引起的暗電流之和，其中，τ為死時間；

S4、確定暗電流的構成以及暗電流的測試：未參與雪崩的暗電流I_b主要由表面漏電流引起，雪崩暗電流I_a主要由熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c構成；

S4.1、未參與雪崩的暗電流I_b：

總暗電流I_dark減去雪崩暗電流I_a即為未參與雪崩的暗電流I_b；

S4.2、熱噪聲引起的暗電流I_th：

在勢壘寬度不變的情況下，貫穿系數(shù)與耗盡區(qū)電場有關，即隧穿效應引起的暗電流I_TAT僅與過偏壓有關，而后脈沖可通過死時間τ調節(jié)，當τ≥20μs時，后脈沖可以忽略，因此，可通過固定過偏壓和設置≥20μs的死時間τ，隧穿效應引起的暗電流I_TAT在雪崩暗電流I_a中的數(shù)值是固定的，后脈沖引起的暗電流I_c可忽略不計，進而即可從I_a中分離出I_th：固定過偏壓和設置≥20μs的死時間τ，不斷降低溫度，得到不同溫度下的暗計數(shù)，擬合后得到暗計數(shù)與溫度T的關系曲線，通過暗計數(shù)可得到I_a的值，進而可以得到I_a與溫度T的關系曲線，代表不同溫度下的I_a的差值即為相應溫度變化下熱噪聲的變化，然后與理論上熱噪聲曲線進行比較；

S4.3、隧穿效應引起的暗電流I_TAT：

當溫度≤-40℃時，熱噪聲導致的暗電流I_th可以忽略，這時可以得到隧穿效應引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c；在溫度≤-20℃、過偏壓≥3V時，增大死時間τ至≥20μs，可以忽略后脈沖引起的電流，即可分離得到遂穿效應引起的暗電流I_TAT；

S4.4、后脈沖引起的暗電流I_c：

根據(jù)步驟S4.2和S4.3的測量結果，通過雪崩暗電流I_a減去熱噪聲導致的暗電流I_th和隧穿效應引起的暗電流I_TAT，得到后脈沖引起的暗電流I_c。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟S4.2中，若得到的實測熱噪聲曲線與理論熱噪聲曲線的趨勢相同且數(shù)值差異在允許范圍內，則說明該實驗結果正確；若數(shù)值差異超過允許范圍，則繼續(xù)增大死時間、降低溫度，再進行比較，直到得到在允許范圍內的結果。

本發(fā)明的有益效果是：

由于不同溫度、不同過偏壓和不同死時間下，暗電流的構成會有變化，本發(fā)明通過一種簡單的方法(即動態(tài)測試和靜態(tài)測試聯(lián)合起來)將其分開，實現(xiàn)了動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合的實時調試；并確定了暗電流的構成，且該確定暗電流構成的方法容易實現(xiàn)，因此，暗電流構成不僅僅上理論計算，實驗上也容易證明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測試系統(tǒng)的結構示意圖。圖中，1、數(shù)字源表；2、變溫裝置；3、測試電路；4、示波器；5、計算機。

圖2為過偏壓為0.2V，經(jīng)過100倍放大后從示波器得到的雪崩信號曲線圖。圖中，縱坐標為電壓，每格代表20mV；橫坐標為時間，每格代表50ns。

圖3為過偏壓為1.5V、2.0V、2.5V、3.0V情況下暗計數(shù)與溫度T的關系曲線圖。圖中，縱坐標為暗計數(shù)；橫坐標為溫度。

具體實施方式

為了便于本領域人員更好的理解本發(fā)明，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，下述僅是示例性的不限定本發(fā)明的保護范圍。

實施例1、

本發(fā)明所述的單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)，如圖1所示，包括數(shù)字源表1、變溫裝置2、測試電路3和示波器4，數(shù)字源表1采用Keithley 2400數(shù)字源表，示波器4不需要使用較貴的電流探針，直接對電壓進行測試，示波器有50Ω的阻抗匹配，很容易由歐姆定律得到電流變化，數(shù)字源表1還可以用其他可以通過設置電壓得到電流的裝置；雪崩二極管放置于變溫裝置2中的保溫盒中，雪崩二極管的陰極與數(shù)字源表1的輸出端連接、雪崩二極管的陽極與測試電路3的輸入端連接，雪崩二極管的輸出波形連接至示波器4的輸入端，測試電路3的輸出端通過USB連接至計算機5。

實施例2、

一種利用實施例1所述的單光子探測器的動態(tài)和靜態(tài)聯(lián)合測試系統(tǒng)的測試方法，步驟如下：

S1、固定一個溫度值，該溫度取值范圍為-50℃～20℃，數(shù)字源表對雪崩二極管加偏壓，觀察數(shù)字源表上的電流示數(shù)、示波器顯示波形和計算機采集的暗計數(shù)。

S2、逐漸增大偏壓至雪崩擊穿電壓，這時數(shù)字源表上顯示的電流逐漸變大(pA-nA-μA)，同時示波器上顯示的波形開始出現(xiàn)雪崩脈沖，如圖2所示，暗計數(shù)也出現(xiàn)非0的數(shù)字；雪崩擊穿電壓狀態(tài)下，數(shù)字源表上顯示的電流為總的暗電流I_dark，示波器上出現(xiàn)的雪崩電壓波形通過歐姆定律計算得到相對應的電流值，對電流曲線進行積分，得到單個雪崩電荷量Q，

其中，T₁代表雪崩信號開始出現(xiàn)時示波器所顯示的時刻，T₂代表雪崩信號即將消失時所顯示的時刻。

S3、從測試電路得到暗計數(shù)的數(shù)值n，然后得到總雪崩電荷量Q_a為單個雪崩電荷量Q與暗計數(shù)值n的乘積，進而得到雪崩暗電流I_a，

即，I_a是由于熱噪聲和隧穿效應引起的暗電流與后脈沖引起的暗電流之和，其中，τ為死時間。

S4、經(jīng)過上述步驟S1、S2和S3后，然后確定暗電流的構成以及暗電流的測試：未參與雪崩的暗電流I_b主要由表面漏電流引起，雪崩暗電流I_a主要由熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c構成。

S4.1、未參與雪崩的暗電流I_b：

總暗電流I_dark減去雪崩暗電流I_a即為未參與雪崩的暗電流I_b。

S4.2、熱噪聲引起的暗電流I_th：

在勢壘寬度不變的情況下，貫穿系數(shù)與耗盡區(qū)電場有關，即隧穿效應引起的暗電流I_TAT僅與過偏壓有關，而后脈沖可通過死時間τ調節(jié)，當死時間較大的情況下，本實施例選取τ≥20μs時，后脈沖可以忽略，因此，可通過固定過偏壓和設置≥20μs的死時間τ，隧穿效應引起的暗電流I_TAT在雪崩暗電流I_a中的數(shù)值是固定的，后脈沖引起的暗電流I_c可忽略不計，進而即可從I_a中分離出I_th：固定過偏壓和設置≥20μs的死時間τ，不斷降低溫度，得到不同溫度下的暗計數(shù)，擬合后得到暗計數(shù)與溫度T的關系曲線，如圖3所示，從圖3中可看出，不同的過偏壓下，隨著溫度的升高暗計數(shù)均增大，且隨著過偏壓的增大，暗計數(shù)也增大；然后通過暗計數(shù)可得到I_a的值，因此暗計數(shù)與溫度T的關系曲線通過縱坐標變換可以得到I_a與溫度T的關系曲線，代表不同溫度下的I_a的差值即為相應溫度變化下熱噪聲的變化，然后與理論上熱噪聲曲線進行比較；若得到的實測熱噪聲曲線與理論熱噪聲曲線的趨勢相同且數(shù)值差異在允許范圍內，則說明該實驗結果正確；若數(shù)值差異超過允許范圍，則繼續(xù)增大死時間、降低溫度，降低溫度可選用斯特林制冷機，再進行比較，直到得到在允許范圍內的結果。

S4.3、隧穿效應引起的暗電流I_TAT：

當溫度特別低時，本實施例選取溫度≤-40℃，熱噪聲導致的暗電流I_th可以忽略，這時可以得到隧穿效應引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c；在溫度≤-20℃、過偏壓≥3V時，增大死時間τ至≥20μs，可以忽略后脈沖引起的電流，即可分離得到遂穿效應引起的暗電流I_TAT。

S4.4、后脈沖引起的暗電流I_c：

根據(jù)步驟S4.2和S4.3的測量結果，通過雪崩暗電流I_a減去熱噪聲導致的暗電流I_th和隧穿效應引起的暗電流I_TAT，得到后脈沖引起的暗電流I_c。至此，得到了表面漏電流引起的暗電流I_b、熱噪聲引起的暗電流I_th、隧穿效應引起的暗電流I_TAT以及后脈沖引起的暗電流I_c，從而確定了暗電流的構成。

以上僅描述了本發(fā)明的基本原理和優(yōu)選實施方式，本領域人員可以根據(jù)上述描述做出許多變化和改進，這些變化和改進應該屬于本發(fā)明的保護范圍。