基于硅光電倍增管的量子信號探測技術研究

匡燁

摘? ?要：量子通信是一種利用量子力學基本原理的通信技術，其主要使用量子糾纏效應進行信息傳遞，是量子論和信息論結合產生的一種新的研究領域。量子通信最大的好處就是理論上的絕對安全特性和高效性。絕對安全特性是指在理論上可以證明，即使竊聽者擁有無限的計算資源和任意物理學允許的竊聽手段，量子通信仍可保證通信雙方安全交換信息。高效性指利用量子態(tài)的疊加性和糾纏性，量子通信可能可以超過經(jīng)典通信極限的條件下傳輸和處理信息。

關鍵詞：SiPM? 量子通信? 單光子探測

中圖分類號：TH774? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0153-03

1? 量子通信的物理基礎

在公鑰密碼系統(tǒng)中，接受者會公開一個鑰匙，發(fā)送者用它去加密信息，然而，要想解密此信息，需要另一個鑰匙，也就是接收者特有的私鑰。其中比較經(jīng)典的就是RSA密碼系統(tǒng)了。

然而，在量子計算機上存在使用多項式的時間的算法。這表明，如果大尺度量子計算機被制造出來的話，RSA體系就可以被破解。所以，在需要長而不確定的時間內保密的信息上，公鑰密碼系統(tǒng)并不能保證其絕對安全性。

相比于經(jīng)典比特可以被克隆這一性質，一個量子的一般比特是不可能被克隆的，這就是所謂的不可克隆定理，由Dieks， Wootters和Zurek于1982年發(fā)現(xiàn)[1]。眾所周知，對于經(jīng)典物理來說，信息可以被復制而不引起原信息的變化，所以是不可能確切的知道竊聽者是否竊聽了信息。然而，在量子力學里，竊聽者的探測對于系統(tǒng)的改變通常具有原理方面的根源。對于一對不可互易的可觀測量來說，測量其中一個可觀測量會無規(guī)律的擾動另一個量，正是由于這一性質，探測信息是否被竊聽成為了可能。

2? 單光子探測技術

量子通信系統(tǒng)主要分為量子信號產生，量子信號調制，量子信號探測三大部分，如圖1。量子信號產生主要是光子入射，所以最終探測到的還是光子，需要使用光子探測器。而本文主要討論的就是量子信號探測。

光電倍增管（Photomultiplier Tube， PMT）是一種將微弱光信號轉換成電信號的真空器件，早在20世紀30年代就被發(fā)明[2]。濱松公司掌握了非常成熟的制造工藝，對PMT的生產幾乎是壟斷，其產品被大量用于各種微弱光探測領域。然而PMT也有缺點：它的量子效率（Quantum efficiency， QE），即光子被探測器吸收發(fā)射出自由電子或者電子空穴對的概率，只有20%～30%左右;經(jīng)過多級打拿極倍增，其最終增益可達到106，但是為了維持打拿極之間的高電場，其需要在上千伏的高壓下工作;并且其造價極為昂貴。

隨著半導體技術發(fā)展，在不斷的實驗中，當PN結兩端電壓增高時，電子空穴對加速，與原子碰撞電離出次級電子對，實現(xiàn)倍增，也就是雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode， APD）。此時收集到的電荷線性正比于入射光子數(shù)，最小可探測光子數(shù)目達到10～20個[3]，此工作模式下則為線性模式APD。它具有尺寸小，量子效率高，機械結構穩(wěn)定，對磁場不敏感等優(yōu)點。APD是目前量子通信領域探測系統(tǒng)中最常用的光子探測器。然而即使是APD，仍存在增益低和時間響應響應差等缺點。

直到近年，硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier， SiPM）才在俄羅斯皇家工程物理學院被研發(fā)出來，并迅速在光子探測領域得到廣泛應用。SiPM不僅擁有與APD相當?shù)陌雽w器件的優(yōu)勢，而且在幾十伏電壓下即可達到與PMT相同的增益，并且其尺寸小，時間響應快，量產價格低，是一種很方便并且綜合性能遠高于PMT和APD的光電探測器。

SiPM工作原理為：當PN結反向偏壓增大到擊穿電壓之上時，在高電場的作用下光電子會觸發(fā)雪崩放電，連續(xù)不斷的產生大量的次級電子空穴對，而此時的增益理論上來說是無窮大的，雪崩過程則需要串聯(lián)大電阻讓其被動猝熄 [4]或外接主動猝熄[5]電路，每次雪崩放電都會輸出一個電流脈沖，此時PN結的工作模式即為G-PAD。

當一個G-PAD串聯(lián)上一個猝熄電阻就組成了SiPM的一個微單元或者叫一個像素，而當幾百個甚至上千個像素并聯(lián)在一起時，就構成了SiPM。在其兩端加上偏壓，通過公共負載端即可讀出光子入射SiPM時產生的電流脈沖信號。而每一個G-PAD進行光電探測時分為以下幾步：

（1）光子入射在PN結耗盡層，產生電子空穴對，電子和空穴對在外電場作用下向兩級加速漂移。

（2）當電子或空穴漂移到雪崩區(qū)時，電場強度達到最大，與原子發(fā)生碰撞電離，產生大量的次級電子空穴對，觸發(fā)Geiger雪崩，從而實現(xiàn)倍增。

（3）迅速上升的雪崩電流在與PN結串聯(lián)的猝熄電阻上產生壓降，從而使PN結兩端電壓降至擊穿電壓之下，且串聯(lián)電流無法維持自持放電，于是雪崩放電停止，發(fā)生猝熄。

（4）雪崩放電停止后，在偏置電壓作用下，PN結開始充電，兩端電壓逐漸恢復至猝熄電壓以上，達到最初狀態(tài)。

SiPM每個像素發(fā)生Geiger雪崩都會產生相同大小的電流脈沖，這個過程可以等效于G-PAD PN結的放電，從光子入射雪崩開始到雪崩猝熄，PN結兩端的電壓由初始偏置電壓降到擊穿電壓，因此SiPM的增益（gain，G）可以這樣表示：

Qdischarge是指雪崩放電電荷，e是電子電荷，C是微單元的PN結電容，UOV是指偏置電壓和擊穿電壓的差值。一般情況下，SiPM的增益可達到106，可以滿足單光子的探測。

其中QE為量子效率，ε代表幾何填充因子，Ptrigger為雪崩觸發(fā)概率。量子效率取決于光子透過入射窗的的效率與光子被PN結吸收的概率，都與入射光的波長有關。填充因子則為光敏感面積占SiPM上除去封裝的有效面積的比例大小。而SiPM內部的猝熄電阻和金屬走線等都會降低填充因子。雪崩觸發(fā)概率則受偏壓影響比較大，過擊穿電壓越大，載流子激發(fā)雪崩放電的概率就越大。并且還與PN結結構以及入射光波長相關[6]，如P-on-N結構和N-on-P結構等。

當然，硅光電倍增管也有它的缺點，如暗計數(shù)，寄生脈沖[7]和光串擾等。暗計數(shù)會在無光子入射時輸出脈沖信號，并且與光子入射時輸出的脈沖無法區(qū)分。寄生脈沖是指一些載流子會被晶格缺陷所困幾十到幾百ns[8]。光串擾則是光子會在雪崩擊穿時跑到鄰近微單元再次觸發(fā)雪崩。這些都是SiPM進行探測過程中的不利因素，應盡量減少。

3? 單通道SiPM光子探測器設計與測試

SiPM之所以說是APD和PIN二極管的一種提高，正是因為它的高增益和單光子敏感性。這使激光雷達（Light Detection And Ranging， LiDAR）遠距離探測低反射率目標成為了可能。SPAD只能探測單光子，然而，SiPM通過微單元結構克服了這一障礙，可以在高動態(tài)范圍探測多個光子。

圖2為On Semiconductor的RB系列硅光電倍增管示意圖，除陰極、陽極外，內置了快信號輸出，可以快速讀出光子信息。

圖3則為SiPM的單通道讀出電路原理圖，根據(jù)原理圖繪制印刷電路板（printed circuit board， PCB），對SiPM進行電壓偏置和信號讀出。PCB通過連接器分別連接偏壓，標準輸出和快輸出。輸出信號可以直接連到示波器上以便觀看。

4? 結語

通過介紹量子通信的發(fā)展背景，公鑰密碼體系，量子通信的特質，量子通信探測的原理，發(fā)現(xiàn)硅光電倍增管應用于量子通信光子探測的可行性和優(yōu)勢。研究分析了SiPM的內部結構、運行原理，設計了單通道SiPM讀出電路，觀測到了本底單光電子譜，印證了SiPM用于單光子探測的可行性。盡管仍有若干缺點，但是使用SiPM進行量子信號探測有著非常大的潛力。接下來計劃使用此電路探測實際紅外單光子信號，應用于實際的量子通信系統(tǒng)。

參考文獻

[1] Wootters， W. K. and Zurek， W. H.A single quantum cannot be cloned， Nature，1982，299：802.

[2] Zworykin V K， Morton G A and Malter L. The Secondary Emission Multiplier-A New Electronic Device. Proceedings of the Institute of Radio Engineers， 1936（24）：351-375.

[3] D. Renker and E. Lorenz. Advances in solid state photon detectors. JINST， April 2009. JINST 4 P04004.

[4] Bergeron M， Cadorette J， Beaudoin J F， et al. Imaging Performance of the LabPET APD-Based Digital PET Scanner[J].IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec，2009：3116-3120.

[5] www.siemens.com/mMR.

[6] Sze S M and Ng K K. Physics of Semiconductor Devices. 3rd edition. Wiley-Interscience， 2006.

[7] Otono H， Yamashita S， Yoshioka T， et al. Study of MPPC at liquid nitrogen temperature. Proceedings of Science PoS（PD07）007， 2007.

[8] Du Y and Retiere F. After-pulsing and cross-talk in multi-pixel photon counters[J].Nucl Instrum Meth A， 2008（596）：396-401.