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外文翻译用于量子密钥的单光子APD探测器设计
DesignandCharacterizationofSinglePhotonAPDDetectorforQKDApplication
Abstract
Modelinganddesignofasinglephotondetectoranditsvariouscharacteristicsarepresented.Itisatypeofavalanchephotodiode(APD)designedtosuittherequirementsofaQuantumKeyDistribution(QKD)detectionsystem.Thedeviceismodeledtooperateinagatedmodeatliquidnitrogentemperatureforminimumnoiseandmaximumgain.DifferenttypesofAPDsarecomparedforbestperformance.TheAPDispartofanopticalcommunicationlink,whichisaprivatechanneltotransmitthekeysignal.Theencryptedmessageissentviaapublicchannel.Theopticallinkoperatesatawavelengthof1.55μm.ThedesignisbasedonInGaAswithaquantumefficiencyofmorethan75%andamultiplicationfactorof1000.Thecalculateddarkcurrentisbelow10-12Awithanoverallsignaltonoiseratiobetterthan18dB.Thedevicesensitivityisbetterthan-40dBm,whichismorethananorderofmagnitudehigherthanthedarkcurrent,correspondingtoadetectionsensitivityoftwophotonsinpico-secondpulses.
I.INTRODUCTION
Photondetectorssensitivetoextremelylowlightlevelsareneededinavarietyofapplications.ItwasnotpossibletointroducethesedevicescommerciallyseveralyearsagobecauseofthestringentrequirementsofQKD.Researcheffortshoweverresultedinphotondetectorswithreasonablygoodperformancecharacteristics.Theobjectivehereistomodelasinglephotondetectorofhighsensitivity,suitableforaQKDsystem.ThedetectorisbasicallyanAPD,whichneedscoolingtoverylowtemperature(77K)forthedarkcurrenttobelow.Thewavelengthofinterestis1.55μm.Differentapplicationsmayimposedifferentrequirements,andhencethedependenceofthevariousparametersonwavelength,temperature,responsivity,darkcurrent,noiseetc,aremodeled.ComparisonoftheresultsfromcalculationsbasedonasuitablemodelprovidesamenablegroundstodeterminethesuitabilityofeachtypeofAPDforaspecificapplication.
Attacksoncommunicationsystemsinrecentyearshavebecomeamainconcernaccompanyingthetechnologicaladvances.Themeasuresandcountermeasuresagainstattackshavedrivenresearchefforttowardssecuritytechniquesthataimatabsoluteinfallibility.QuantumMechanicsisconsideredoneoftheanswers,duetoinherentphysicalphenomena.QKDsystemswhichdependonentangledpairsorpolarizationstateswillinevitablyrequiretheusageofAPDsinphotondetectionsystems.Howsuitablethesedetectorsmaybe,dependsontheirabilitytodetectlowlightlevelsignals,inotherwords“photoncounting”.Itisthereforeanticipatedthattheapplicationofhighsecuritysystemswillbeinhighdemandinavarietyoffieldssuchasbankingsector,military,medicalcare,e-commerce,e-governmentetc.
Ⅱ.AVALANCHEPHOTODIODE
A.StructureoftheAPD
Fig.1showsaschematicdiagramofthestructureofanAPD.TheAPDisaphotodiodewithabuilt-inamplificationmechanism.Theappliedreversepotentialdifferencecausesacceleratesphoto-generatedcarrierstoveryhighspeedssothatatransferofmomentumoccursuponcollisions,whichliberatesotherelectrons.Secondaryelectronsareacceleratedinturnandtheresultisanavalancheprocess.Thephotogeneratedcarrierstraversethehighelectricfieldregioncausingfurtherionizationbyreleasingboundelectronsinthevalencebanduponcollision.Thiscarriergenerationmechanismisknownasimpactionization.Whencarrierscollidewiththecrystallattice,theylosesomeenergytothecrystal.Ifthekineticenergyofacarrierisgreaterthantheband-gap,thecollisionwillfreeaboundelectron.Thefreeelectronsandholessocreatedalsoacquireenoughenergytocausefurtherimpactionization.Theresultisanavalanche,wherethenumberoffreecarriersgrowsexponentiallyastheprocesscontinues.
Thenumberofionizationcollisionsperunitlengthforholesandelectronsisdesignatedionizationcoefficientsαnandαp,respectively.Thetypeofmaterialsandtheirbandstructuresareresponsibleforthevariationinαnandαp.Ionizationcoefficientsalsodependontheappliedelectricfieldaccordingtothefollowingrelationship:
(1)
Forαn=αp=α,themultiplicationfactor,Mtakestheform
(2)
Wisthewidthofthedepletionregion.ItcanbeobservedthatMtendsto∞whenαW→1,whichsignifiestheconditionforjunctionbreakdown.Therefore,thehighvaluesofMcanbeobtainedwhentheAPDisbiasedclosetothebreakdownregion.
ThethicknessofthemultiplicationregionforM=1000,hasbeencalculatedandcomparedwiththosefoundbyotherworkersandtheresultsareshowninTable1.ThelayerthicknessforundopedInPis10μm,forasubstratethicknessof100μm.
Thephoton-generatedelectron-holepairsintheabsorptionlayerareacceleratedundertheinfluenceofanelectricfieldof3.105V/cm.Theaccelerationprocessisconstantlyinterruptedbyrandomcollisionswiththelattice.Thetwocompetingprocesseswillcontinueuntileventuallyanaveragesaturationvelocityisreached.Secondaryelectron-holepairsaregeneratedatanytimeduringtheprocess,whentheyacquireenergylargerthanthebandgapEg.Theelectronsarethenacceleratedandmaycausefurtherimpactionization.
Impactionizationofholesduetoboundelectronsisnotaseffectiveasthatduetofreeelectrons.Hence,mostoftheionizationisachievedbyfreeelectrons.Theavalancheprocessthenproceedsprincipallyfromtheptothensideofthedevice.Itterminatesafteracertaintime,whentheelectronsarriveatthensideofthedepletionlayer.Holesmovingtotheleftcreateelectronsthatmovetotheright,whichinturngeneratefurtherholesmovingtotheleftinapossiblyunendingcirculation.Althoughthisfeedbackprocessincreasesthegainofthedevice,itisneverthelessundesirableforseveralreasons.First,itistimeconsumingandreducesthedevicebandwidth.Second,itisarandomprocessandthereforeincreasesthenoiseinthedevice.Third,itisunstable,whichmaycauseavalanchebreakdown.
ItmaybedesirabletofabricateAPDsfrommaterialsthatpermitimpactionizationbyonlyonetypeofcarrierseitherelectronsorholes.Photodetectormaterialsgenerallyexhibitdifferentionizationratesforelectronsandholes.Theratioofthetwoionizationratesk=βi/αiisameasureofthephotodiodeperformance.Ifforexample,electronshavehigherionizationcoefficient,optimalbehaviorisachievedbyinjectingelectronsofphoto-carrierpairsatthep-typeedgeofthedepletionlayerandbyusingamaterialwithkvalueassmallaspossible.Ifholesareinjected,theyshouldbeinjectedatthen-typeedgeofthedepletionlayerandkshouldbeaslargeaspossible.Single-carriermultiplicationisachievedideally,whenk=0withelectronsorwithk=∞forholes.
B.GeigerMode
Geigermode(GM)operationmeansthatthediodeisoperatedslightlyabovethebreakdownthresholdvoltage,whereasingleelectron–holepaircantriggerastrongavalanche.Inthecaseofsuchanevent,theelectronicsreducethediodevoltagetobelowthethresholdvalueforashorttimecalled“deadtime”,duringwhichtheavalancheisstoppedandthedetectorismadereadytodetectthenextbatchofphotons.GMoperationisoneofthebasicofQuantumCountingtechniqueswhenutilizinganavalancheprocess(APD)thatincreasesthedetectorefficiencysignificantly.
ThereareanumberofparametersrelatedtoGeigermode.ThegeneralideahoweveristotemporarilydisturbtheequilibriuminsidetheAPD.
TheGeigermodeisplacingtheAPDinagatedregimeandthebiasisraisedabovethebreakdownvoltageforashortperiodoftime.Fig.2showstheparameterscharacterizingtheGeigeroperation.Theriseandfalltimesoftheedgesareneglectedbecausetheyaremadefast.Detectionofsinglephotonsoccursduringthegatewindow.
作者:
KhalidA.S.Al-Khateeb,NazmusShakerNafi,KhalidHasan
国籍:
美国
出处:
ComputerandCommunicationEngineering(ICCCE),2010InternationalConferenceon 11-12May2010
用于量子密钥的单光子APD探测器设计
摘要
本文提出的是单光子探测器及其各种特性的建模与设计。
它是利用雪崩光电二极管(APD)的一种特性,以适应量子密钥分配(QKD)检测系统的要求。
该设备是在液氮温度下按门控模式运行,以便使其噪声最小和增益最大。
通过不同类型的APD相比,以获得性能最佳的探测器。
APD是用来传输关键信号的私人光通信号通路的一部分。
通过一个公共的通道发送加密的消息。
光电通路的工作波为1.55μm。
这是在InGaAs的量子效率超过75%,和倍增因子为1000基础上设计的。
计算所得的暗电流低于10-12A,且整体信噪声比高于18分贝。
该器件的灵敏度高于-40dBm的,比暗电流多一个量级,相当于在微微秒脉冲时检测到两个光子的灵敏度。
这里的目标是,以单光子探测器灵敏度高,适合的量子密码系统的建模。
1.引言
在各种应用中,有些需要对微弱光敏感的光子探测器。
在几年前是不可能引进这些设备的,因为量子密钥技术的要求严格。
然而随着研究发展,发明了有合理性能等特点的光子探测器的。
这里的目标是建一个灵敏度高的单光子探测器,来适应量子密码系统。
APD探测器需要把它冷却到非常低的温度(77K),以便其暗电流很小。
探测器的探测波长为1.55μm。
不同的应用设计可能会提出不同的要求,因此需参照波长,温度,响应度,暗电流,噪声等各种参数。
比较来自计算的结果,在此基础上找到并提供适合特殊应用的合适的APD探测器。
近年来伴随着科技进步,通信系统的研究已成为一个主要的关注方向。
随着避免受攻击措施和对策的提出,推动着研究工作朝安全技术发展,旨在不发生错误。
由于其固有的物理现象,量子力学被认为是一种方法。
依赖于空穴-电子对或偏振态的量子密码系统,将不可避免地需要使用的APD的光子探测系统。
如何找到合适的些探测器,取决于它们对微光信号检测的能力,换句话说就是“光子计数”。
因此,预计高安全性系统的将应用在多种领域,如银行业,军事,医疗,电子商务,电子政务等。
2.雪崩光电二极管
A.APD的结构
APD结构如图1所示。
APD是一个带有一个内置的放大机制的光电二极管。
在其上施加反向的电位差使光生载流子加速度,使其转移的时与原子发生碰撞,从而解放其他电子。
新产生的电子再次加速,重复上述过程,导致发生雪崩。
生成的光生载子转移到高电场区域与价带中束缚中释放出来的电子碰撞后,发生进一步的电离。
这个电子-空穴对的生成过程被称为碰撞电离过程。
当载流子与原子发生碰撞时,他们就给原子一些能量。
如果载流子的动能大于带隙,碰撞时就会释放出一个束缚着的电子。
获得足够的能量的电子-空穴对,还能引起进一步的碰撞电离。
其结果就是发生雪崩,自由载流子的数量呈指数增长的进程继续下去。
图1APD结构如图
电离碰撞电离系数αn和αP分别代表每单位长度内电离碰撞产生的电子和空穴的数目。
材料及其能带结构影响αn和αP的参数变化。
依赖于外加电场的电离系数有以下关系式:
(1)
其中αn=αp=α,而倍增因子M有以下形式:
(2)
W是耗尽区的宽度。
可以观察到当αW→1时,的M趋于无穷,这是发生击穿的条件。
因此,当APD偏置接近击穿区条件时,就可以得到高的M值。
M=1000的倍增区厚度的计算,并与其他已知的材料比较,结果表1所示。
在厚度为100μm的衬底中掺杂InP层的厚度为10微米。
表1APD的各层厚度和特性
物质材料
厚度(nm)
参杂物(cm-3)
功能作用
InP
10000
无
锌元素扩散/倍增
InP
300
N:
6×1016
场效应控制
InGaAsP
100
N:
1×1015
由四元素(或四基)构成
InGaAs
2500
N:
1×1015
吸收
InP
500
N:
1×1018
缓冲
InP
10000
N+
基底
在一个3.105V/cm电场的作用下,吸收层中光子产生的电子
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