[实用新型]一种单光子光电器件的测试装置

说明书

技术领域

本实用新型属于测试技术领域，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。

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。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型针对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。

(二)技术方案

本实用新型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：门信号发生器、偏置电压源、电流表、限流电阻、始端匹配电阻、连接电缆、可通断电缆和耦合电容；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；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。

在一些实施例中，当所述可通断电缆接通，所述单光子光电器件处于门控模式；当所述可通断电缆断开且所述偏置电压源的偏置电压大于击穿电压，所述单光子光电器件处于自由运行模式；当所述可通断电缆断开且所述偏置电压源的偏置电压小于击穿电压，所述单光子光电器件处于线性模式。

在一些实施例中，所述信号读出单元连接所述脉冲激光器，用于接收所述脉冲激光器的同步信号；以及连接所述单光子光电器件，用于接收、存储并处理所述单光子光电器件的输出信号。

在一些实施例中，所述连接件为连接电缆或探针。

在一些实施例中，所述限流电阻、始端匹配电阻、连接件、可通断电缆和耦合电容集成于电路板；单光子光电器件、电路板以及部分对齐光路设置于不锈钢屏蔽腔内。

在一些实施例中，所述单光子光电器件为单光子雪崩二极管。

在一些实施例中，所述信号读出单元为数字存储示波器。

在一些实施例中，所述脉冲激光器为自激振荡的脉冲激光器或电流激发的半导体激光器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

(1)测试装置由标准仪器构建，易于构建，对操作者的电子学背景要求不高，很适合物理专业的研究者。