基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究
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作者:匡烨
摘 要：量子通信是一种利用量子力学基本原理的通信技术，其主要使用量子纠缠效应进行信息传递，是量子论和信息论结合产生的一种新的研究领域。量子通信最大的好处就是理论上的绝对安全特性和高效性。绝对安全特性是指在理论上可以证明，即使窃听者拥有无限的计算资源和任意物理学允许的窃听手段，量子通信仍可保证通信双方安全交换信息。高效性指利用量子态的叠加性和纠缠性，量子通信可能可以超过经典通信极限的条件下传输和处理信息。
关键词：SiPM 量子通信 单光子探测
中图分类号：TH774 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0153-03
1 量子通信的物理基础
在公钥密码系统中，接受者会公开一个钥匙，发送者用它去加密信息，然而，要想解密此信息，需要另一个钥匙，也就是接收者特有的私钥。其中比较经典的就是RSA密码系统了。
然而，在量子计算机上存在使用多项式的时间的算法。这表明，如果大尺度量子计算机被制造出来的话，RSA体系就可以被破解。所以，在需要长而不确定的时间内保密的信息上，公钥密码系统并不能保证其绝对安全性。
相比于经典比特可以被克隆这一性质，一个量子的一般比特是不可能被克隆的，这就是所谓的不可克隆定理，由Dieks， Wootters和Zurek于1982年發现[1]。众所周知，对于经典物理来说，信息可以被复制而不引起原信息的变化，所以是不可能确切的知道窃听者是否窃听了信息。然而，在量子力学里，窃听者的探测对于系统的改变通常具有原理方面的根源。对于一对不可互易的可观测量来说，测量其中一个可观测量会无规律的扰动另一个量，正是由于这一性质，探测信息是否被窃听成为了可能。
2 单光子探测技术
量子通信系统主要分为量子信号产生，量子信号调制，量子信号探测三大部分，如图1。量子信号产生主要是光子入射，所以最终探测到的还是光子，需要使用光子探测器。而本文主要讨论的就是量子信号探测。
光电倍增管（Photomultiplier Tube， PMT）是一种将微弱光信号转换成电信号的真空器件，早在20世纪30年代就被发明[2]。滨松公司掌握了非常成熟的制造工艺，对PMT的生产几乎是垄断，其产品被大量用于各种微弱光探测领域。然而PMT也有缺点：它的量子效率（Quantum efficiency， QE），即光子被探测器吸收发射出自由电子或者电子空穴对的概率，只有20%～30%左右;经过多级打拿极倍增，其最终增益可达到106，但是为了维持打拿极之间的高电场，其需要在上千伏的高压下工作;并且其造价极为昂贵。
随着半导体技术发展，在不断的实验中，当PN结两端电压增高时，电子空穴对加速，与原子碰撞电离出次级电子对，实现倍增，也就是雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode， APD）。此时收集到的电荷线性正比于入射光子数，最小可探测光子数目达到10～20个[3]，此工作模式下则为线性模式APD。它具有尺寸小，量子效率高，机械结构稳定，对磁场不敏感等优点。APD是目前量子通信领域探测系统中最常用的光子探测器。然而即使是APD，仍存在增益低和时间响应响应差等缺点。
直到近年，硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier， SiPM）才在俄罗斯皇家工程物理学院被研发出来，并迅速在光子探测领域得到广泛应用。SiPM不仅拥有与APD相当的半导体器件的优势，而且在几十伏电压下即可达到与PMT相同的增益，并且其尺寸小，时间响应快，量产价格低，是一种很方便并且综合性能远高于PMT和APD的光电探测器。
SiPM工作原理为：当PN结反向偏压增大到击穿电压之上时，在高电场的作用下光电子会触发雪崩放电，连续不断的产生大量的次级电子空穴对，而此时的增益理论上来说是无穷大的，雪崩过程则需要串联大电阻让其被动猝熄 [4]或外接主动猝熄[5]电路，每次雪崩放电都会输出一个电流脉冲，此时PN结的工作模式即为G-PAD。
当一个G-PAD串联上一个猝熄电阻就组成了SiPM的一个微单元或者叫一个像素，而当几百个甚至上千个像素并联在一起时，就构成了SiPM。在其两端加上偏压，通过公共负载端即可读出光子入射SiPM时产生的电流脉冲信号。而每一个G-PAD进行光电探测时分为以下几步：
（1）光子入射在PN结耗尽层，产生电子空穴对，电子和空穴对在外电场作用下向两级加速漂移。
（2）当电子或空穴漂移到雪崩区时，电场强度达到最大，与原子发生碰撞电离，产生大量的次级电子空穴对，触发Geiger雪崩，从而实现倍增。
（3）迅速上升的雪崩电流在与PN结串联的猝熄电阻上产生压降，从而使PN结两端电压降至击穿电压之下，且串联电流无法维持自持放电，于是雪崩放电停止，发生猝熄。
（4）雪崩放电停止后，在偏置电压作用下，PN结开始充电，两端电压逐渐恢复至猝熄电压以上，达到最初状态。
SiPM每个像素发生Geiger雪崩都会产生相同大小的电流脉冲，这个过程可以等效于G-PAD PN结的放电，从光子入射雪崩开始到雪崩猝熄，PN结两端的电压由初始偏置电压降到击穿电压，因此SiPM的增益（gain，G）可以这样表示： Qdischarge是指雪崩放电电荷，e是电子电荷，C是微单元的PN结电容，UOV是指偏置电压和击穿电压的差值。一般情况下，SiPM的增益可达到106，可以满足单光子的探测。
其中QE为量子效率，ε代表几何填充因子，Ptrigger为雪崩触发概率。量子效率取决于光子透过入射窗的的效率与光子被PN结吸收的概率，都与入射光的波长有关。填充因子则为光敏感面积占SiPM上除去封装的有效面积的比例大小。而SiPM内部的猝熄电阻和金属走线等都会降低填充因子。雪崩触发概率则受偏压影响比较大，过击穿电压越大，载流子激发雪崩放电的概率就越大。并且还与PN结结构以及入射光波长相关[6]，如P-on-N结构和N-on-P结构等。
当然，硅光电倍增管也有它的缺点，如暗计数，寄生脉冲[7]和光串扰等。暗计数会在无光子入射时输出脉冲信号，并且与光子入射时输出的脉冲无法区分。寄生脉冲是指一些载流子会被晶格缺陷所困几十到几百ns[8]。光串扰则是光子会在雪崩击穿时跑到邻近微单元再次触发雪崩。这些都是SiPM进行探测过程中的不利因素，应尽量减少。
3 单通道SiPM光子探测器设计与测试
SiPM之所以说是APD和PIN二极管的一种提高，正是因为它的高增益和单光子敏感性。这使激光雷达（Light Detection And Ranging， LiDAR）远距离探测低反射率目标成为了可能。SPAD只能探测单光子，然而，SiPM通过微单元结构克服了这一障碍，可以在高动态范围探測多个光子。
图2为On Semiconductor的RB系列硅光电倍增管示意图，除阴极、阳极外，内置了快信号输出，可以快速读出光子信息。
图3则为SiPM的单通道读出电路原理图，根据原理图绘制印刷电路板（printed circuit board， PCB），对SiPM进行电压偏置和信号读出。PCB通过连接器分别连接偏压，标准输出和快输出。输出信号可以直接连到示波器上以便观看。
4 结语
通过介绍量子通信的发展背景，公钥密码体系，量子通信的特质，量子通信探测的原理，发现硅光电倍增管应用于量子通信光子探测的可行性和优势。研究分析了SiPM的内部结构、运行原理，设计了单通道SiPM读出电路，观测到了本底单光电子谱，印证了SiPM用于单光子探测的可行性。尽管仍有若干缺点，但是使用SiPM进行量子信号探测有着非常大的潜力。接下来计划使用此电路探测实际红外单光子信号，应用于实际的量子通信系统。
参考文献
[1] Wootters， W. K. and Zurek， W. H.A single quantum cannot be cloned， Nature，1982，299：802.
[2] Zworykin V K， Morton G A and Malter L. The Secondary Emission Multiplier-A New Electronic Device. Proceedings of the Institute of Radio Engineers， 1936（24）：351-375.
[3] D. Renker and E. Lorenz. Advances in solid state photon detectors. JINST， April 2009. JINST 4 P04004.
[4] Bergeron M， Cadorette J， Beaudoin J F， et al. Imaging Performance of the LabPET APD-Based Digital PET Scanner[J].IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec，2009：3116-3120.
[5] www.siemens.com/mMR.
[6] Sze S M and Ng K K. Physics of Semiconductor Devices. 3rd edition. Wiley-Interscience， 2006.
[7] Otono H， Yamashita S， Yoshioka T， et al. Study of MPPC at liquid nitrogen temperature. Proceedings of Science PoS（PD07）007， 2007.
[8] Du Y and Retiere F. After-pulsing and cross-talk in multi-pixel photon counters[J].Nucl Instrum Meth A， 2008（596）：396-401.
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