Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. Исследование лавинного пробоя в полупроводниковых структурах . 7
1.2. Детектирование фотонов лавинными фотодиодами 20
1.3. Приемники фотонов 26
1.4. Численное моделирование процессов в, ПФД '30
1.5. Области применения приемников фотонов 31
1.5.1. Квантовая криптография 31
1.5.2. Спектроскопия корреляции интеисивпостей 33
2. Модель ЛФД в режиме детектирования фотонов 35
2.1. Распределение напряженности электрического поля в ЛФД 39
2.2. Параметры ЛФД в режиме счета фотонов 42
2.2.1. Вероятность темпового отсчета и квантовая эффективность . 42
2.2.2. Вероятность включения лавинного пробоя 47
3. Проектирование приемника фотонов на базе лавинного фотодиода 50
3.1. Основные принципы проектирования приемников фотонов 50
3.2. Формирователь стробирующих импульсов и схема питания ЛФД 56
3.3. Устройство регистрации срабатываний ЛФД 58
3.4. Термоэлектрический холодильник 59
3.5. Приемник фотонов для системы квантовой криптографии 62
4. Применение автоматизированного стенда для разработки приемника фотонов 65
Оглавление
4.1. Автоматизированный стенд для измерения параметров ЛФД 65
4.2. Исследование временного отклика приемника фотонов 59
4.3. Результаты автоматизированных измерений характеристик ЛФД 75
4.4. Методы улучшения характеристик приемника фотонов 77
5. Некоторые аспекты применения приемника фотонов 93
5.1. Измерение статистики фотонов 93
5.2. Применение приемников фотонов в системах квантовой криптографии 101
5.3. Излучение лавинных фотодиодов в режиме счета фотонов 103
Список литературы
- Детектирование фотонов лавинными фотодиодами
- Параметры ЛФД в режиме счета фотонов
- Исследование временного отклика приемника фотонов
- Применение приемников фотонов в системах квантовой криптографии
Введение к работе
Необходимость регистрации одиночных фотонов возникла еще в начале XX века, после фундаментальных работ М. Планка и А.Эйнштейна. Первые приборы, позволяющие осуществить такую регистрацию, многокаскадные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), были созданы в 30-х годах прошлого века. Дальнейшее совершенствование ФЭУ заключалось в расширении их оптического диапазона и увеличении коэффициента усиления. Тенденция повышения быстродействия, квантовой эффективности и перехода от вакуумных приборов к полупроводниковым привела к созданию в 70-х годах твердотельных фотоэлектронных умножителей - лавинных фотодиодов (ЛФД).
В настоящее время все большее распространение получают волоконные системы, в которых излучение распространяется по одно- и многомодовым оптическим световодам. В таких системах используется излучение в диапазоне длин волн от 850 до 1600 нм (ближний И К-диапазон). Разработка систем квантовой криптографии поставила задачу проектирования приемников фотонов, работающих в указанном диапазоне, имеющих высокую скорость счета, высокую квантовую эффективность и малую вероятность ложного срабатывания. До настоящего времени разрабатываемые для работы в ближнем И К- диапазоне приемники фотонов на основе ЛФД имели сравнительно небольшую скорость счета, ограниченную эффектом послелавшшых срабатываний. Малые вероятности темпового отсчета достигались за счет охлаждения ЛФД при помощи жидкого азота. Для этих приемников не были в достаточной степени исследованы вопросы выбора оптимальной температуры, временного разрешения, а также влияние ряда параметров на характеристики приемника. Необходимость проведения подобных исследований проистекает из того, что изначально ЛФД были ориентированы па работу в качестве чувствительных фотоприемников-усилителей (с коэффициентами усиления до нескольких десятков). При работе в качестве детектора фотонов ЛФД переводится в режим, близкий к лавинному пробою. Одиночный фотон в таком режиме способен вызвать ла-
Введение
винный пробой. Именно ток пробоя и позволяет зарегистрировать акт поглотения фотона. Тем не менее, поскольку данный режим не является стандартным, существует достаточно большое количество параметров схемы включения, изменение которых позволяет добиться улучшения характеристик приемника фотонов в целом.
Целью диссертационной работы является разработка приемников фотонов для ближнего И К-диапазона, удовлетворяющих условиям работы в составе систем квантовой криптографии (высокая скорость счета и квантовая эффективность при малой вероятности ложных отсчетов), исследование их характеристик и определение пуіей улучшения параметров.
Научная новизна:
Разработана новая схема регистрации тока лавинного пробоя, позволившая уменьшить число подводимых к ЛФД полосковых линий, что привело к уменьшению теплового потока и упростило конструкцию приемника.
Разработан и создан оригинальный автоматизированный стенд для измерения характеристик ЛФД. Стенд позволил получить набор зависимостей, необходимый для выбора параметров приемника при его настройке для решения определенной задачи.
Впервые предложен и реализован метод селектировапия лавинных пробоев по времени их возникновения, позволяющий на порядок снизить вероятность ложных срабатываний при высоких скоростях счета фотонов.
Продемонстрирована возможность оценки времен корреляции потока фотонов приемником, работающим в режиме стробировапия. Определены диапазоны времен корреляции, для которых возможна оценка. Разработана новая методика, позволяющая расширить диапазон измерений в спектроскопии флуктуации интенсивности.
Продемонстрирована возможность оценки времен корреляции потока фотонов приемником, работающим в режиме стробирования. Определены диапазоны времен корреляции, для которых возможна оценка. Разработана новая методика оценки, расширяющая рабочий диапазон спектроскопии флуктуации интенсивности.
Исследован спектр излучения InGaAs/InP ЛФД, находящегося в режиме лавинного пробоя, и определены условия, при которых такое излучение может быть за-
Введение
регистрировано приемником фотонов на базе аналогичного ЛФД.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанная схема регистрации лавинных пробоев позволяет уменьшить число полосковых линий, подводимых к ЛФД, что, в свою очередь, значительно упрощает разработку приемников фотонов.
При проектировании приемников фотонов, предназначенных для конкретных задач, целесообразно использовать разработанный автоматизированный стенд. Стенд позволяет получить необходимый для целей оптимизации набор характеристик.
Разработанная методика селектирования лавинных пробоев по времени возникновения позволяет па порядок снизить вероятность ложного срабатывания приемника фотонов при высоких скоростях счета. Данная методика может использоваться для всех типов ЛФД с разделенными областями поглощения и умножения.
Использование стробируемого режима работы приемников на основе ЛФД для оценки времени когерентности источника излучения позволяет расширить рабочий диапазон спектроскопии флуктуации интенсивности, проводимой на базе этих приборов.
В режиме лавинного пробоя ЛФД возникает оптическое излучение, мощность которого достаточна для регистрации приемником фотонов, построенном на аналогичном ЛФД.
Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе, являющейся обзором литературы, приведены результаты предшествующих исследований ЛФД и как детектора фотонов и как полупроводниковой структуры.Разумеется, невозможно говорить о свойствах детектора, не зная процессов, происходящих внутри самого диода.
Также в обзоре литературы приводится краткий анализ основных схем включения, оценка их преимуществ и недостатков. При рассмотрении схем подавления пробоя не акцентируется внимание на типе и структуре ЛФД, поскольку по существу процесс лавинного пробоя в различных ЛФД происходит одинаково. Детально структура фотодиода на основе соединения InGaAsj' InP рассматривается во второй главе. Там же анализируется связь параметров полупроводниковой структуры и характеристик диода как
Введение
детектора фотонов. Такая связь очень важна, так как позволяет попять закономерности
работы ЛФД и оптимизировать их в соответствии с заданным критерием.
Третья глава посвящена схемотехнической реализации приемника фотонов. В ней рассмотрены различные варианты построения регистрирующих ток лавинного пробоя устройств, а также систем охлаждения. В заключительной части приведено описание функционально законченного приемника для работы в составе системы квантовой криптографии.
Для успешной оптимизации параметров ЛФД под конкретную задачу необходимо иметь достаточно полный набор характеристик фотодиода в режиме счета фотонов. Разработке измерительного стенда и методологии измерений посвящена четвертая глава. В ходе проведения экспериментов выяснились некоторые особенности поведения ЛФД. Часть из них позволяет добиться улучшения параметров приемника фотонов в целом. Заключительная часть главы посвящена модернизированной схеме приемника и анализу ее работы.
В пятой главе рассматриваются особенности применения ЛФД, работающего в режиме стробирования. В первой части рассматривается вопрос оценки параметров потока фотонов и определяются границы применимости приемника для оценки времен корреляции.
Во второй части обсуждаются вопросы выбора режима работы приемника в составе системы квантовой криптографии.
Одна нз особенностей работы приемников рассматриваемого типа - обратное излучение ЛФД - требует пристального внимания как паразитный фактор в системах квантовой криптографии и при организации массивов фотоприемников. Изучению этих особенностей посвящена заключительная часть последней главы.
Детектирование фотонов лавинными фотодиодами
Первые эксперименты по счету фотонов в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн были проведены с германиевыми ЛФД [ 19). Авторами была получена зависимость вероятности темпового отсчета от температуры. Выяснилось, что в германие при температурах более 30 К доминирует тепловая генерация носителей, а при более низких температурах - туннельный ток. Исследование влияния ловушек в работе не проводилось. Максимальная чувствительность ЛФД находилась в диапазоне длин воли 1.4 - 1.5 мкм. Значительная часть фотонов с энергией, большей 0.9 эВ поглощалась, не вызывая лавинного пробоя, что привело к спаду на спектральной характеристике. Аналогичная ситуация, как было отмечено ранее, имеет место и для InGaAs/InP ЛФД.
Обобщив приведенные в литературе результаты, можно утверждать, что в диапазоне длин воли от 1 до 1,6 мкм германиевые диоды для получения сравнимых по величине с InCaAs/ІпР ЛФД темновых токов требуют охлаждения до значительно более низких температур. Это усложняет их использование.
Статья [20] посвящена исследованию IvGaAsjlnP ЛФД в режиме счета фотонов для работы в качестве рефлектометра на длине волны 1.3 мкм. Минимальное значение измеренной оптической мощности (ограниченное темповыми отсчетами) составило 10 u Вт, что в два раза превышало чувствительность pin-МОП приемников. Авторы также подтвердили ранее высказывавшиеся предположения о целесообразности использования ЛФД с диаметром чувствительной области около 10 мкм. Отличительной особенностью является высокая рабочая температура ЛФД: - 40 С, а также то, что напряжение смещения превышало всего на 0,15 В напряжение пробоя.
В ходе работ по созданию приемников фотонов на основе ЛФД стало ясно, что помимо некоторых их преимуществ перед ФЭУ, есть и существенный недостаток - эффект послелавинного срабатывания, вызванный захватом носителей ловушками, имеющими меньшую, чем ширина запрещенной зоны, энергию активации.
Исследование влияния ловушек на процесс счета фотонов, а также измерение разрешающей способности приемника на германиевом ЛФД было проведено в работе [211. Температура ЛФД равнялась температуре жидкого азота (77 К), а для подавления лавин использовалась активная схема (подробнее схемы подавления будут обсуждаться ниже). Выяснилось, что вероятность темпового отсчета значительно снижается (на порядок) при увеличении временного интервала между лавинами (от 10 до 200 мкс). Для работы приемника, которая будет обсуждаться далее и составляет от 1 до 10 не.
В [22] был применен достаточно оригинальный метод уменьшения вероятности по-слелавинных срабатываний. Указанного уменьшения добивались путем увеличения напряжения смещения до 99% напряжения пробоя в отсутствии стробирующего импульса. Как утверждают авторы (со ссылкой на источник), увеличение напряженности электрического ноля способствует увеличению тепловой эмиссии носителей из ловушек, благодаря эффекту Франца-Келдыша. В статье также приведена схема активного подавления лавин. Схема имеет симметричную структуру, включающую цепь компенсации токов заряда емкости ЛФД. Авторам удалось добиться временного разрешения в 105 пс. Амплитуда стробирующего импульса равнялась .3 В.
Перейдем теперь к рассмотрению схем подавления лавинного пробоя. Как правило, работа схемы не зависит от типа ЛФД, используемого в качестве детектора.
Существует несколько вариантов подавления лавинного пробоя. Первоначально использовались пассивные схемы подавления из-за своей простоты. Для подавления лавины достаточно лишь включить последовательно с ЛФД балластный резистор Я І сопротивлением порядка нескольких десятков килоом (рис. 1.16). Падение напряжения на резисторе Ri во время протекания через диод тока пробоя обеспечивает снижение напряжения смещения ЛФД и подавление пробоя.
Такие схемы оказались удобными и при исследовании изменений токов лавин, их нестабильности, так как схемы линейны. Тем не менее, они имеют и недостатки. Процесс подавления пробоя занимает продолжительное время - несколько десятков наносекунд. Постоянная времени определяется произведением емкости ЛФД и балластного рези
стора. После прекращения пробоя напряжение, смешения превысит необходимый порог, при котором возможно детектирование фотона, через приблизительно такое же время. Учитывая тот факт, что в рассматриваемой схеме, во время пробоя через ЛФД проходит значительный заряд, велика концентрация носителей, захваченных ловушками. Следовательно, становится существенной и вероятность ложного срабатывания (поелсла-винного срабатывания) детектора после подавления очередного пробоя. Таким образом, возникла необходимость введения дополнительного времени релаксации после пробоя, в течение которого на ЛФД поддерживается низкое напряжение смещения.
Подробное исследование схем пассивного подавления проведено в работе [23 j. В ней, в частности, была измерена вероятность послелавинного срабатывания путем вычисления автокорреляционной функции для последовательности импульсов па выходе приемника (германиевый ЛФД). Было подтверждено, что вероятность послелавинного срабатывания растет с увеличением напряжения смещения и с уменьшением интервала между лавинами. В работе также исследовалось временное разрешение приемника и был отмечен гауссов характер отклика ЛФД.
Дальнейшая модификация схем с включением в них детектора тока пробоя и быстродействующего ключа, изменяющего напряжения смещения привела к появлению достаточно эффективных устройств. Такие схемы принято называть активными (рис. 1.17). В них подавление, пробоя осуществляется при помощи отдельной цепи, управляемой детектором тока лавины. Быстродействие этих схем составляло единицы наносекунд. Схемы также включали формирователь времени релаксации (в дальнейшем также будет использоваться термин "мертвое время (dead time), применяемый в литературе). Впо следствии, однако, такого рода активные схемы не получили широкого распространения из-за повышенной сложности проектирования. Их заменили схемы, работающие в условно-активном режиме. В данной работе к ним будет применяться термин "режим стробирования"(gating mode). Его идея проста и проистекает из ранее изложенных. К Л ФД прикладывается постоянное напряжение смещения, меньшее напряжения пробоя, и периодически на него подается стробирующий импульс напряжения (рис. 1.18).
Импульс напряжения, складываясь с напряжением смещения, переводит ЛФД в активный режим. В этом режиме суммарное напряжение на диоде превышает напряжение пробоя и, таким образом, появившийся в обедненном слое носитель заряда вызовет пробой. Длительность импульса напряжения составляет несколько наносекунд. Рассмотренная схема отличается от предшествующих одним дополнительным требованием. Необходимо, чтобы фотон поглотился именно в момент действия стробирующего импульса. Данное условие не приводит к неудобствам при работе в составе синхронных систем (источник излучения работает в импульсном режиме), но значительно снижает квантовую эффективность при случайном входном потоке фотонов (например, от непрерывных источников). Последнее, очевидно, происходит из-за длительного интервала "мертвого"времепи, как правило, много большего длительности импульса. С другой стороны, при достаточно больших плотностях входного потока, превышающих величину 0,1 фотон/импульс, отличие, от предшествующей схемы будет не столь значительным в смысле соотношения общей длительности активных стадий и "мертвого"времени.
Параметры ЛФД в режиме счета фотонов
При теоретическом моделировании работы ЛФД следует учитывать несколько процессов, происходящих при напряжениях смещения как меньших, так и больших напряжения пробоя. Существенно, что численная оценка некоторых параметров, относящихся к микроскопическим процессам, может быть произведена путем измерения макроскопических величин. Так, например, вероятность инициирования лавины фотогенери-рованным носителем, может быть найдена из квантовой эффективности (при малой вероятности темпового отсчета).
Итак, определим перечень наиболее значимых процессов, происходящих в ЛФД. Во-первых, это процессы, в равной степени влияющие, как на вероятность ложного срабатывания (Рпс f Рто), так и на квантовую эффективность {Q): захват дырок ловушкой на гетеропереходе, случайный механизм развития лавины, приводящий к сильной зависимости вероятности ее инициирования от напряжения смещения, и, наконец, захват дырок глубокими примесными центрами. Во-вторых, процессы, определяющие РТ1]. Это генерация неосновных носителей в обедненной области в слоях поглощения и умноже Глава 2. Ліодель ЛФДв режиме детектирования фотоновния, туннелирование носителей на гетеропереходе и р п. переходе. Наконец, в-третьих, процессы, определяющие Q. Это поглощение фотонов вне слоя InGaAs и отражение света от поверхности ЛФД.
Сразу следует отметить, что оптимизация работы приемника фотонов по только что указанным двум процессам невозможна (путем изменения внешнего воздействия). Поэтому, расчет соответствующих вероятностей не производился. Уменьшение квантовой эффективности в данном случае легко измерить. Результирующее значение составляет примерно 80-85% (в том числе и по данным литературы). Далее рассмотрим процессы, определяющие вероятность ложного срабатывания.
Рассмотрим тепловую генерацию носителей в слоях поглощения и умножения. Хорошо известно, что генерапионно-рекомбинациопный ток описывается выражением [54] /,-Р = . (2.13) Тіфф где е - заряд электрона, д,. - собственная концентрация носителей, тэфф - эффективное время жизни носителей, .4 и w - соответственно площадь и ширина обедненного слоя. Эффективное время жизни находится из соотношения аъехр{Цр ) 1ЗД( ) эфф = гт (2.14) 0Ч 7дГтіУл где / т - тепловая скорость носителей, равная у/ЗкТ/пґ, Ел - энергия активации ловушек, Еф - уровень Ферми собственного полупроводника (середина запрещенной зоны), Лгл - концентрация ловушек, оч и сгд - сечения захвата электрона и дырки соответственно. В этом выражении достаточно много неизвестных нам величин. В сущности, можно подобрать 7"Эфф так, чтобы темповые токи соответствовали измеренным значениям. Время жизни носителей зависит от температуры. При рассмотрении работы ЛФД прежде всего интересно значение темпового тока при низких температурах. Далее будет произведена оценка таких значений.
В ходе вычислений необходимо учитывать температурную зависимость собственной концентрации носителей »е = «ч:о - (2.15) где Е3 - ширина запрещенной зоны, nCf) равно для слоя поглощения 1,03 1018см 3 и 0,59 Ш17см 3 для слоя умножения. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны с 0,5% точностью для /»O.53("J«O.47-4.S дается выражением (в эВ) ,,-0.822-3-10 71. (2.16) Глава 2. Модель ЛФД в режиме детектирования фотонов а для InP :ід - 1.43-4.55-КГ1 / . (2.17) При температуре 25С ,, = 0. 73 эВ, а ЕЛг - 1. 29 эВ. Из анализа зависимостей темновых токов от температуры, имеющихся в паспортных данных, следует, что геиерационно-рекомбинанионный ток в слое поглощения меньше тока в слое умножения, несмотря на то, что ширина запрещенной зоны InP больше, чем InGaAs. Возможная тому причина - много большая концентрация ловушек в слое поглощения, а, следовательно, меньшее время жизни носителей.
Здесь следует сделать одно замечание. Второй возможной причиной являются поверхностные токи. Однако, мы считаем их пренебрежимо малыми, поскольку охранное кольцо препятствует распространению обедненного слоя в направлении поверхности ЛФД. Третьей причиной может быть туннельный ток, но, как будет показано далее, он тоже пренебрежимо мал. Тем не менее, при температурах порядка -60 "С его вклад следует учитывать. Зависимости геперанионно-рекомбинанионных составляющих темновых токов от температуры приведены на рис.2.6.
Рассмотрим теперь туннельные токи. Туннельный ток равен [54] где me - масса покоя электрона, m - эффективная масса, Е - напряженность электрического поля, V - падение напряжения на обедненном слое, атун зависит от формы барьера и имеет величину порядка 1 для межзонного туипелирования. Напряженность электрического поля равна En[wn) в случае туннелировапия на гетеропереходе и Ey{wY) в случае туннелирования на [Гп переходе. Зависимость туннельного тока на гетеропереходе от падения напряжения на ЛФД представлена на рис.2.7. Величина туннельного тока в слое умножения пренебрежимо мала.
Исследование временного отклика приемника фотонов
Заряд емкости ЛФД приводит к появлению коротких всплесков тока в начале и в конце стробирующего импульса. Для того, чтобы исключить возможность ложного срабатывания детектора по этим всплескам, сигнал с ЛФД поступает на усилитель с ограниченной на уровне 200 МГц полосой пропускания (см. рис.П.2 приложения). Длительность лавинного импульса значительно больше длительности всплесков тока заряда емкости ЛФД. Амплитуды всплесков примерно равны амплитуде лавинного импульса. Соотношение амплитуд зависит от параметров ЛФД, величины напряжения смещения и параметров стробирующего импульса. НЧ-фильтрация тока ЛФД позволяет избежать каких-либо дополнительных подстроек в схеме детектора при проведении экспериментов. Следует отметить, что длительность лавинного импульса имеет разброс (около 2 пс) из-за разброса времени прихода фотонов. Это тоже учитывалось при проектировании схемы регистрирующего устройства. Полоса усилителя ограничена введением отрицательной обратной связи по току, при этом коэффициент усиления равен 10.
Стоит обратить внимание на тот факт, что во многих приведенных в литературе схемах активной) подавления лавин с помощью стробирования использовалась компенсация паразитных всплесков тока через ЛФД путем подачи стробирующего импульса на инвертирующий вход компаратора через емкость, равную емкости диода. Этот способ довольно неудобен, поскольку емкость ЛФД зависит от ширины обедненного слоя, а, следовательно, и от напряжения смещения. При изменении температуры ЛФД рабочая точка (напряжение смещения) меняется, следовательно, меняется и емкость ЛФД, что вызывает необходимость подстройки компенсирующей емкости.
Сигнал с выхода усилителя поступает па компаратор. Так как импульс па выходе уси
лителя становится расширенным (длительность около 3 не), этого оказывается достаточно для срабатывания компаратора. Выходной сигнал с компаратора (фактически это выходной сигнал приемника) через буферный логический элемент поступает на частотомер, показания которого служат основным результатом экспериментов.
В предварительных экспериментах для охлаждения ЛФД использовался жидкий азот, что позволило достичь температур менее -140С. В ходе экспериментов выяснилось, что для получения требуемых параметров достаточно охладить ЛФД до температур порядка - 50...- 60 С. Такие температуры достижимы при использовании холодильников, построенных на элементах Пельтье. Не будем здесь детально описывать принцип их действия. Он основан на переносе энергии носителями заряда между двумя полупроводниковыми материалами с различным уровнем Ферми.
Первоначально была разработана многоступенчатая конструкция с воздушным охлаждением. Холодильник состоял из двух модулей, каждый из которых, в свою очередь, содержал две ступени. Первая ступень была составлена из двух элементов, обеспечивающих максимальный перепад температуры до 70 "С. Каждый из элементов имел радиатор с установленным на нем вентилятором. Площадь радиатора и производительность вентилятора обеспечивали отвод от элемента мощности до 100 Вт. Оба элемента первой ступени охлаждали медную пластину, находящуюся в тепловом контакте со второй ступенью.Вторая ступень была построена на элементе, имеющем внутреннюю двухступенчатую структуру и обеспечивающем благодаря этому перепад температуры до 84 "С. Вторые ступени обоих модулей находились в тепловом контакте с медной пластиной, в которую были установлены два ЛФД и датчик температуры.
Указанные максимальные перепады температуры реализовывались при нулевой мощности, подводимой к охлаждаемой части элементов Пельтье и температуре нагреваемой части порядка 300 К. С понижением температуры нагреваемой части (что характерно для второй ступени), а также с увеличением мощности, подводимой к охлаждаемой части, разность температур уменьшалась.
Таким образом, мощность, подводимая ко второй ступени, составляля всего 40 Вт (из возможных 180). К первой ступени подводилось лишь 70% максимальной мощности, в противном случае происходило существенное увеличение температуры радиаторов, т.к. вентиляторы были не способны отвести необходимое количество тепла при заданном перепаде температур (радиаторов и окружающего воздуха).
Использование полоековой линии позволило минимизировать количество тепла, подводимого к ЛФД и обеспечить достаточно большой перепад температуры по длине линии. Поэтому температура формирователя и устройства регистрации срабатываний ЛФД практически не отличалась от температуры окружающей среды. Это важно, поскольку при изменении температуры ДНЗ их характеристики могут отличаться, что приведет к неконтролируемому изменению задержки прохождения импульса через формирователь.
Обе ступени блоков холодильника были теплоизолированы. Кроме того, для надежной работы приемника вся система герметизирована. Герметизация необходима прежде всего потому, что после цикла охлаждения-нагревания во внутреннем объеме холодильника образуется конденсат. При повторном замерзании воды через образовавшийся лед протекают значительные тепловые потоки, т.к. коэффициент теплопроводности льда на порядок выше, чем воздуха.
Рабочая температура ЛФД должна оставаться постоянной, т.к. при ее изменении потребуется соответствующим образом изменить напряжение смещения. В связи с этим, холодильник был снабжен системой термостабилизации, обратная связь в которой осуществлялась через датчик температуры, установленный в медной пластине с ЛФД. Температура регулировалась путем изменения мощности, подводимой ко второй ступени.
Использование двух блоков в холодильнике позволило увеличить допустимый подвод тепла к охлаждаемой части второй ступени при сохранении разности температур. Минимальная температура, достигнутая внутри холодильника - не более -ЪЪС. При использовании водяного охлаждения радиаторов в аналогичной конструкции удавалось достичь температуры -89С.
Для охлаждения одного ЛФД оказалось удобным использование трехступенчатого элемента Пельтье с воздушным охлаждением (рис. 3.3). С применением такого элемента достаточно легко получить температуру -65"С, при этом потребляемая электрическая мощность составляет около 30 Вт. Для данного элемента минимальная температура при практически нулевой холодопроизводителыюсти достигает -80С. Здесь становится актуальным вопрос величины теплового потока через подводящие линии. Уменьшение габаритов линий, о котором шла речь выше и их количества позволяет в несколько раз снизить тепловой поток
Применение приемников фотонов в системах квантовой криптографии
Система квантовой криптографии обеспечивает невозможность несанкционированного доступа к передаваемой информации. Однако, ее практическая реализация может иметь недостатки, снижающие защищенность системы. Это неидеальпости оптических компонентов и приемников фотонов. Одной из особенностей последних является излучение света при лавинном пробое, рассматриваемое, в данном случае, как побочный эффект.
Характеристикой работоспособности СКК является также вероятность ошибки передачи квантового бита (QBER-quantum bit error rate). Она определяется следующим образом: QBER = % + Гпс, Рто-вероятность темпового отсчета, /(-плотность потока фотонов. О- квантовая эффективность, Рпс- вероятность послелавинного срабатывания.
В рассматриваемом случае порог ошибки, выше которого система считается незащищенной, приблизительно равен 10%. При помощи измерительного стенда оказалось возможной оптимизация параметров приемника фотонов в смысле максимума квантовой эффективности при постоянном QBER. Результат оптимизации представлен на рисунке 5.9.
Из этого следует, что целесообразно выбрать температуру Л ФД в диапазоне от -35 до -40 " С. При меньших температурах QBER возрастает (соответственно, квантовая эффективность уменьшается) из-за увеличения вероятности послелавинного срабатывания, а при больших - из-за тепловой генерации носителей заряда. Следует подчеркнуть, что при частотах повторения стробирующих импульсов, много меньших 1 МГц, максимум на характеристике будет смещаться влево благодаря отсутствию иослелавинных срабатываний, что, в том числе, видно из положения минимума на рисунке 1.19.
Указанные температуры могут быть легко достигнуты при использовании в качестве устройства охлаждения многоступенчатых элементов Пельтье с воздушным охлаждением горячей пластины.
Поскольку при лавинном пробое концентрация носителей заряда с большой энергией велика, существует большая вероятность неупругого рассеяния и излучательной рекомбинации. Данный процесс, с одной стороны, участвует в формировании и распространении пробоя, но с другой может привести к нежелательным эффектам. Например, при создании массивов ЛФД, соседние ячейки будут влиять друг на друга, снижая, в целом, отношение сигнал-шум. Другой пример - применение в составе систем квантовой криптографии, где подобное излучение может вызвать утечку информации о ключе. Таким образом, возникла необходимость измерения интенсивности излучения ЛФД.
Исследуемый ЛФД имел волоконный интерфейс, что значительно снизило интенсивность излучения. Для регистрации излучения использовался аналогичный ЛФД, работающий в режиме счета фотонов. При этом напряжение смещения исследуемого ЛФД было подобрано так, что пробой происходил с единичной вероятностью при подаче стро-бирующего импульса. Амплитуда импульса была установлена таким образом, что ток пробоя достигал нескольких миллиампер. Вообще говоря, в реальных задачах ток лавинного пробоя значительно ниже. Тем не менее, благодаря исследованию спектрального распределения излучаемой мощности, результат представляет определенный интерес.
Схема установки для проведения измерений приведена на рисунке .
Перед проведением экспериментов была измерена характеристика пропускания оптической схемы. На длинах волн 0,85, 1,3 и 1,55 мкм коэффициенты пропускания отличались не более чем па 10%. Спектральная чувствительность ЛФД в диапазоне длин волн 0,9-1,6 мкм приведена в обзоре литературы. Нет оснований полагать, что форма характеристики в линейном режиме и в режиме детектирования фотонов будет отличаться. эксперимент показал, что интенсивность излучения имеет максимум в районе 1,3-1,5 мкм. Полученный результат говорит о том, что в данном режиме работы область пробоя распространяется в слой поглощения, а излучение слоя умножения в значительной мере поглощается в слое InGaAa и подложке.
Из вышеизложенного следует, что при выборе надлежащего режима работы, при котором не происходит пробоя в слое поглощения, можно не опасаться угечки информации в системах квантовой криптографии. Что касается массивов ЛФД, здесь делать выводы труднее, поскольку внутри ЛФД интенсивность излучения на порядки выше. При токах пробоя, меньших 1 мА, можно предположить, что основная доля излучения будет поглощаться материалом подложки, так что соотношение сигнал-шум будет сильно зависеть от геометрии расположения ЛФД.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем: Разработан и практически реализован приемник фотонов па базе ЛФД со структурой InP/IiiCaAs. Произведена оценка основных параметров приемника. Выработаны методики и проведены измерения квантовой эффективности, вероятности темпового отсчета и послелавинного срабатывания при фиксированных температурах, напряжении смещения, амплитуде и длительности стробирующих импульсов, а также частоте их повторения.
На основе проведенных измерений сделано заключение о необходимости разработки автоматизированного средства измерений. Создан стенд, удовлетворяющий поставленным требованиям. Проведены измерения в автоматическом режиме наборов основных характеристик - зависимостей квантовой эффективности, вероятности послелавинного срабатывания и темпового отсчета от температуры при различных напряжениях смещения от 35 до 70 В. На основе полученных данных построены зависимости, при помощи которых можно выбирать рабочую точку для достижения заданных параметров приемника.
Разработана методика улучшения параметров приемника, а именно, уменьшения вероятности послелавинного срабатывания и темпового отсчета. Продемонстрировано уменьшение указанных вероятностей вероятностей в 25 и в 4 раза соответственно. Методика эффективно работает при высоких частотах повторения стробирующих импульсов.
