[发明专利]半导体红外上转换单光子探测设备及方法

说明书

技术领域

本发明提出一种基于新型物理机制的高灵敏度红外光子探测技术，具体为半导体红外上转换单光子探测技术。

 

背景技术

少数光子探测技术尤其是红外单光子探测在量子信息处理、量子保密通信、激光测距、激光雷达、宇宙学等领域具备重要意义。目前最重要的单光子探测器件为雪崩二极管单光子探测器（SPAD）。雪崩二极管工作于非线性模式时，单个光子的吸收对应一个可测量的宏观电脉冲，其增益大于10⁶，从而可以实现单光子的探测。与其它单光子探测方案相比，SPAD具备单光子探测效率高、功耗低、可靠性和稳定性好、易于构建集成系统、工作温度高于热电制冷温度、计数率高等优点。

根据探测波段的不同，用于制备雪崩二极管吸收层的材料有Si、Ge和In_0.47Ga_0.53As（以下简写为InGaAs）等。在300-900纳米波段，Si SPAD性能优异：单光子量子探测效率最高可达70%，暗记数率小于50 Hz，后脉冲效应小，可连续计数，光子到达时间抖动半高宽在数百皮秒量级。Si SPAD优异的单光子探测性能主要来源于高质量的Si材料。但是Si的禁带宽度较大，当探测波长大于1微米时，其量子效率迅速降低至1%以下，失去实际应用价值。

1.2微米和1.6微米是现在光纤通信和传感系统两个窗口区，传输色散和损耗远小于其他波长区域，是光纤通信系统采用的载波波长。针对该波段的红外单光子探测，InGaAs雪崩二极管、超导临界温度跃迁单光子探测器、利用非线性光学技术频率上转换单光子探测系统是目前主要研究方向。其中， InGaAs/InP SPAD与现有光纤通信系统相容性高、工作温度处于热电制冷区，在量子保密通信应用中具备较为明显的优势。目前InGaAs/InP SPAD的单光子最佳探测效率为20%，暗计数率约为100 Hz，后脉冲效应远高于Si SPAD。

除了InGaAs/InP SPAD之外，人们还研究了以InGaAs为吸收层、Si为倍增层的雪崩二极管器件，但其器件性能有待优化，尚且不能满足高性能单光子探测器实际需要。此外，人们还研究了超导临界温度跃迁单光子探测器除了基于超导隧穿结和钨基跃迁边界传感器，以及 n-p-n单光子探测器。这些器件存在工作低（液氦温度）、器件制备工艺复杂等缺点，目前难以实现规模化应用。另一种有效的红外单光子探测方案是上转换单光子探测。利用非线性光学晶体，将待探测光和泵浦激光进行和频上转换，可以将长波长红外光子转换为1微米波长以下的近红外光子，再利用Si SPAD进行探测。但此类系统具有结构复杂、体积庞大、对环境要求高等缺点，限制了其应用。

综上所述，在1.2至1.6微米的光纤通信波段，急需出现一种紧凑便利、结构简单、探测效率高、工作温度高单光子探测手段。针对此问题，我们发明一种半导体红外上转换光子探测技术。

 

发明内容

   本发明的第一目的在于提供一种半导体红外上转换单光子探测设备，以解决急需出现一种紧凑便利、结构简单、探测效率高、工作温度高单光子探测手段的技术问题。

一种半导体红外上转换单光子探测设备，包括半导体红外单光子上转换器件和Si SPAD，其中，半导体红外上转换器件用于将红外单光子转换为1微米以下的近红外光子或可见光子，Si SPAD用于探测近红外光子或可见光子，半导体红外单光子上转换器件和Si SPAD通过高效率光耦合方式进行耦合：利用光黏胶粘合或晶片键合的方式直接集成。

一种半导体红外上转换单光子探测方法，包括：

   利用体红外上转换器件将红外单光子转换为1微米以下的近红外光子或可见光子，

利用Si SPAD来探测近红外光子或可见光子。

较佳地，所述半导体红外单光子上转换器件是基于III-V族半导体材料体系，材料组分和器件结构根据待测波长所确定。

较佳地，待测波长为1.2至1.6微米，采取InP材料体系或者GaAs材料体系，以InP或者GaAs材料为衬底，利用分子束外延生长技术或者金属有机化学气相沉积生长1.2至1.6微米光纤通信波段p-i-n近红外探测器，其光吸收层为InGaAs、InGaNAs、GaNAsSb或InAsSb。