[发明专利]一种单光子光电器件的测试装置和方法

说明书

本公开提供了一种单光子光电器件的测试装置和方法，光路组件产生脉冲激光，脉冲激光照射单光子光电器件；偏置电路接入单光子光电器件，并为单光子光电器件提供偏置电压及门控信号；信号读出单元连接偏置电路，处理单光子光电器件的输出信号以得到单光子光电器件的参数。本公开的测试装置由标准仪器构建，易于构建，可以实现自动化测试和远程监控，并且测试精度高。

技术领域

本公开属于测试技术领域，涉及一种单光子光电器件、尤其是高暗计 数低探测效率的单光子雪崩二极管的测试装置和方法。

背景技术

单光子探测技术在诸如荧光显微镜、近红外成像、单光子计数激光雷 达、以及量子通信等多个领域，都有着广泛的应用。

通常所说的单光子探测是指用物理手段探测单个光子所具有的能量。 现在最常用的单光子探测器是单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)，SPAD的原理是基于内光电效应导致入射光子有概率激 发出载流子，载流子在二极管的反向外电场作用下加速发生碰撞电离，多 次碰撞电离后材料中载流子数量指数倍增，最终产生一个宏观上可被探测 到的电流信号。

通常为了衡量一个SPAD的性能好坏，需要对其进行性能测试。为了 定量地表征一个SPAD的性能，本领域提出了一些关于SPAD的参数：探 测效率、时间分辨率、暗计数、死时间和后脉冲概率等。

一般使用甄别器和计数器来测量探测效率，而时间分辨率的测量通常 使用时间数字转换器TDC(Time Digital Converter)。

在暗计数较小或者探测效率较高时上述的传统测量方式较为适用，但 是在待测SPAD的暗计数率DCR(Dark Count Rate)较大或者探测效率较 低的情况下，传统测量方式的测试精度较低，误差较大。

通常选用门控测试模式来抑制SPAD的高暗计数率，同时延长SPAD 使用寿命。门控模式面临的最大问题是如何消除门信号的微分脉冲信号。 而传统的测试装置和方法中，无论是甄别器+计数器的方案还是时间数字 转换器的方案都无法解决门信号的微分信号的干扰，因而需要使用特别的 电路来消除微分信号的影响，这些电路的制作耗时耗力。

另一种应对高暗计数率和低探测效率的方法则是增大入射的平均光 子数进行测试。增大平均光子数可以提高信噪比，但是因为多光子效应的 出现会导致雪崩堆积效应(Pile up effect)，从而使得实际测到的计数率小 于实际发生的雪崩次数，同时时间分辨率的测量结果会偏小。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开针对SPAD研发过程中测试工作的应用背景，提出一种单光子 光电器件测试装置和方法。

(二)技术方案

本公开提供了一种单光子光电器件的测试装置，包括：光路组件， 用于产生脉冲激光，所述脉冲激光照射单光子光电器件；偏置电路，用于 接入所述单光子光电器件，并为所述单光子光电器件提供偏置电压及门控 信号；信号读出单元，连接所述偏置电路，用于处理所述单光子光电器件 的输出信号以得到单光子光电器件的参数。

在一些实施例中，所述光路组件包括：脉冲激光器，用于输出所述脉 冲激光和同步信号；衰减光路和对齐光路，用于衰减和对齐所述脉冲激光。

在一些实施例中，所述偏置电路包括：偏置电压源，用于为所述单光 子光电器件提供偏置电压；电流表，用于测量流经所述单光子光电器件的 电流；限流电阻，用于保护单光子光电器件；所述偏置电压源、电流表、 限流电阻组成偏置回路，所述单光子光电器件的两极通过连接件反接于偏 置回路；门信号发生器，用于接收脉冲激光器的同步信号而产生门控信号； 可通断电缆，用于控制门控信号的传输以改变单光子光电器件的工作模式； 耦合电容，用于耦合门控信号；所述门信号发生器的输入端连接所述脉冲 激光器，输出端通过始端匹配电阻、可通断电缆以及耦合电容接入偏置回 路。