آشكار سازتعيين تعداد فوتون مبني بر ديود نوري بهمني
ديودهاي نوري بهمني ، عمدتا به عنوان آشكارسازهاي كاربردي تك فوتونها به كار مي روند . اگرچه ابزارهاي مرسوم به يك يا تعداد بيشتري فوتون واكنش نشان مي دهند، آنها نمي توانند تعداد را در پالس فرودي يا دوره كوتاه مدت تعيين كنند .
هرچند ، بعضي از آشكارسازهاي تعيين تعداد فوتون به طور ضروري براي كاربردهاي محاسبات كوانتومي، ارتباطات وتداخل سنجي مورد نيازند ،به همان اندازه كه براي توسعه قابليت اجراءبه طور كلي آشكارسازي كوانتومي .
اكنون ما نشان مي دهيم كه برخلاف باور رايج ، فوتوديود بهمني قادر برآشكارسازي تعداد فوتون با استفاده از تكنيكي هستند كه بهمن هاي خيلي ضعيف را زودتر ازمرحله پيشروي آنها اندازه مي گيرند.
تحت اين شرايط سيگنال خروجي از فوتوديود بهمني متناسب است با تعداد فوتونهاي پالس فرودي.
به عنوان يك عامل متراكم – دستگاه توليد جرم - بدون مخلوط هاي سرمازا و در طول موجهاي مخابراتي ، آن يك راه حل كاربردي براي آشكارسازي تعداد فوتون پيشنهاد ميكند .
نشان داده شده است كه شمارش كوانتومي مي تواند تنها با استفاده از اجزاي نوري خطي ، چشمه هاي تك فوتون و آشكار سازها انجام شود كه مي توانند تعداد فوتونها در يك پالس را اندازه گيري كنند. نقش آشكار ساز تعيين تعداد فوتون در اين طرح نمي تواند اغراق آميزشودچون آنها براي نظارت عملكرد گيتهاي كوانتومي استفاده مي شوند .
در علامت گيت اصلي غير خطي پيشنهاد شده توسط كنيل ، لافليم و ميلبرن ، براي مثال هر عملكرد منفرد
مي تواند به 0،1 يا 2 فوتون درآشكار سازهاي كمكي منتج شود و عملكرد موفقيت آميز گيت به آشكار سازي كامل 0و1 فوتون دراين آشكار سازها نياز دارد . گيت پر اهميت ديگر براي ارتباطات كوانتومي و شمارش اجازه مي دهد گسترش فاصله روي گره اي كه مي تواند توزيع شده باشد. اين گيت مبادله گره به گزينش پستي مبني بردرست يك يا دو فوتون كه در يك آشكار ساز مجاز است نياز دارد . آشكار سازهاي تعيين تعداد فوتون هم چنين ابزار خيلي مهمي در توصيف خصوصيات چشمه هاي نوركوانتومي خواهند بود به همان خوبي كه براي آشكار سازي به طور كلي سطوح پايين نور.
فوتوديودهاي APDs)) معمولا بيشتر براي آشكار سازي فوتون منفرد استفاده مي شوند به طوري كه آنها ابزارهاي ساده نيمه رسانا عظيم با كارايي هاي بالاي آشكار سازي و تعداد اندك نويز كم نورهستند. زماني كه ديود بالاي ولتاژشكست به طور معكوس باياس شده است ، برانگيختگي نوري يك حامل منفرد ، با تكثير حامل به واسطه ي اثر پي در پي يونيزاسيون ادامه پيدا مي كند وجرياني ماكروسكوپيك را نتيجه مي دهد كه به سادگي مي تواند آشكار سازي شود. كارايي آشكارسازي بالاي 45 درصد، براي فتوديودهاي بهمني InGaAs/InP در طول موج مخابراتي گزارش شده است ، در صورتي كه مقاديرافزون بر 65 درصد براي طول موجهاي كوتاهتر وسايل سيليكوني Si)) معمول هستند. بنابراين با يكپارچه كردن منطقه جذب در يك حفره يكپارچه ي نيمه رسانا ، كارايي آشكار سازي افزون بر 90 درصد در شيوه ي خطي بيان شده است . آشكار سازها مي توانند حتي در دماي اتاق استفاده شوند ، هرچند براي بهترين عملكرد اغلب آنها به طور ترموالكتريكي تا30- درجه سانتيگراد سرد مي شوند .
تا امروز اين تفكربوده است كه فتوديودهاي بهمني از اندازه گيري تعداد فوتونها در پالس فرودي يا دوره كوتاه مدت ناتوانند.
هرچند بعضي از تكنولوژيهاي ديگر قابليت محدود تعيين تعداد فوتون را نشان داده اند ، آنها همه به خنك سازي با سرمازا ، يك سطح موثر كوچك يا زمان تلفيق طولاني نياز دارند و اغلب كارايي پاييني دارند .
براي اينكه مزيتهاي كاربردي فتوديودهاي بهمني به كار رود، بعضي ازطرحها كه تفكيك تعداد فوتون را تخمين مي زنند ، پيشتهاد شده بودند به اين صورت كه يك پالس فرودي شكافته شد و روي آشكار سازهاي متعدد ، يا يك آشكارسازواحد در زمانهاي مختلف ، ثبت شد.
در ادامه ، ما براي اولين بار نشان مي دهيم فتوديودهاي بهمني منفرد مي توانند فوتونها در يك پالس فرودي از نور ليزر را بدون هيچ نيازي براي شكافتن درفاصله يا زمان بشمارند .
در يك فتوديود بهمنيInGaAs/InP يك (يا تعداد بيشتر) حفره ي نوري برانگيخته تكثير بهمني را در يك لايه ي InP در معرض ميدان الكتريكي قوي به راه مي اندازند. يك آبشار از رويدادهاي اثر يونيزاسيون توسط حفره(ها)ي نوري شروع مي شود كه منتج مي شود به جريان ميسر بين الكترودهاي فتوديود بهمني و يك جريان بهمني خود تغذيه كه جاري مي شود در ميان وسيله . وقتي كه بهمن در تمام حجم تكثيري فتوديود بهمني ايجاد شده است جريان بر يك مقداراشباع مي شود كه به باياس به كاربرده شده و به مجموع مقاومت مدار بسته است ، اما به تعداد حفره هاي نوري توليد شده كه فرايند را به راه مي اندازد بسته نيست. چون بهمن خود تغذيه است باياس بايد به زير ولتاژ شكست كاهش پيدا كند تا بهمن را فرونشاند.
فتوديودهاي بهمني InGaAs معمولا در روش گايگر گيت دار به كار رفته اند، براي آنكه پالسهاي ولتاژ متناوب براي باياس فتوديود بهمني بالاي ولتاژ شكست (VBD) با يك باياس اضافي(VEX) براي دوره كوتاه چند نانو ثانيه اي به كار رفته اند كه بهمن را فعال مي كند و سپس فرو مي نشاند . اين شيوه براي توزيع كليد كوانتومي خيلي مناسب است و كاربردهاي ديگر استفاده يك منبع پالسي . سيگنال خروجي فوتون انگيخته (بعنوان افت ولتاژ در ميان يك مقاومت سري 50 اهم وابسته به جريان فتوديود بهمني حساب شده است) اضافه شده بر پاسخ خازني وسيله براي پالسهاي ولتاژ بكار رفته ، همانطور كه در تصوير 1.a نشان داده شده است.اين سيگنال خازني يك حد ، براساس دامنه ضعيفترين بهمن كه مي تواند براي عملكرد معمول آشكار سازي شود ، قرار مي دهد .
براي اينكه تعداد فوتون فرودي را تعيين كند ، لازم است كه جريان را به كوتاهي بعد از شروع تشكيل بهمن اندازه بگيرد . جريان كوچك مرتبط با يك چنين بهمن هايي مي تواند آشكار سازي شود با حذف پاسخ خازني فتوديود بهمني مورد استفاده در مداركه در تصوير 1.b نشان داده شده است، يك مدار توسعه يافته براي افزايش سرعت شمارش فوتون . در اين مدار سيگنال خروجي فوتوديود نوري به دومسير شكافته شده است ، كه يكي تاخيريك تناوب از ولتاژ باياس تناوبي وابسته به مسير ديگررانشان مي دهد . براي ارائه داده ها در اينجا ولتاژ باياس فوتوديود نوري بسامد622 مگاهرتز، متناظر با تاخير1.61 نانوثانيه دارد . به اين ترتيب سيگنال پاسخ خازني متناوب فوتوديود نوري عملا با تفاوت گذاشتن بين سيگنالها در دو مسير حذف شده است ، چنانكه در شكل 1.b نشان داده شده است . اين به تشخيص جريانهاي بهمني ده ها بار ضعيفتر از آنها كه معمولا مي توانند اندازه گيري شوند اجازه مي دهد ، همانطور كه در شكل 1.c نشان داده شده است.
ضمنا بازده آشكار سازي فوتون مانند شيوه ي مرسوم گايگر است ، افزايش حدود 30 درصد براي يك ولتاژاضافي 2.2 ولت .
شكل 2 طرح مي كند توزيع را در قله ي سيگنال ولتاژهاي خروجي از فوتوديود نوري خود تفاضل گير براي ميانگين شار آشكارشده μ=1.49 فوتون بر پالس از يك ليزر پالسي1550 نانومتري.
اينجا باياس اضافي بر 1.5vقرار گرفته است ، متناظر با بازده آشكار سازي 10 درصدي.
ترسيم يك سري ازبيشينه ها وشانه ها را نشان مي دهد كه در اطراف 4.7 ،8.4 ،11.5 ،14.6 ،17.6mV متمركز شده اند كه ما به جريان بهمني تحريك شده توسط 0،1،2،3، يا 4 فوتون نسبت مي دهيم.
با اندازه گيري جريان بهمني قبل از اينكه در وسيله اشباع شود ، ما مي توانيم بهمن هاي تحريك شده توسط تعداد متفاوتي از حفره هاي نوري برانگيخته تشخيص دهيم . با توجه به اين ، براي شار فرودي مخصوص (1.49فوتون بر پالس) خروجي توسط سيگنالهاي 1و2 فوتون ، بعنوان محرك ، برتري يافته است.
براي توضيح ،توجه كنيد كه قله ي 0 فوتون در شكل 2 متناظر با دوره ها يي است كه بهمن نيستند ،تنها نويز وابسته به يك مولفه جبران نشده پاسخ خازني (~ 4.7mV)، به علت يك سيگنال كوچك عدم مطابقت بين دو بازوي مدار خود تفاضل گير است. ميزان تعداد تاريك در تمام اندازه گيري هاي ارائه شده در اينجا ناچيز است (كمتر از2*10-6 در هر ورودي) .

جايگذاري خصوصيات در شكل 2 براي آشكار سازي وضعيت متفاوت تعداد فوتون توسط بستگي توزيع سيگنال خروجي در شدت پالس ليزرفرودي برقرار شده است . شكل 3 نمودارهاي ستوني قله ي سيگنال ولتاژهاي خروجي ثبت شده را براي شدت فرودي متفاوت نمايش مي دهد . توجه كنيد كه در پايين ترين شدت نور، فقط قله 1 فوتون درامتدادخط به همراه قله 0 فوتون ممكن است مشاهده شود . هنگاميكه شدت ليزر كاهش مي يابد قله هاي چند فوتوني به طور تصاعدي قويتر مي شوند . توجه كنيد كه، همانطور كه انتظار مي رفت ، احتمال خروجي 0 فوتون با افزايش شار فوتون كاهش مي يابد و خروجي 1 فوتون بين 0.80 و1.54 فوتون بر پالس قويترين است .
خطوط قرمز در شكل 3a تا3e (و خط قرمز در شكل2) متناسب با اطلاعات فرضي ، يك توزيع پويسني از تعداد فوتون در شار فرودي را نشان مي دهد.
گاوسي ها با توزيع ثبت شده براي كمترين شار فرودي متناسب بودند تا يك ولتاژ ميانگين وپهنا براي سيگنال خروجي 0فوتون (1فوتون) به ترتيب 4.7mV(8.4mV) و 0.175mV(0.96mV) تعيين كند.
توزيع خروجي 1 فوتون از سيگنال 0 فوتون به علت تغييرات آماري در ابعاد بهمن راه انداخته شده توسط فوتون وسيعتر است ، چنانكه در زيربه تفصيل مورد بحث قرار گرفته است .
پهناهاي قله هاي –N مقياس گذاشته شدند نسبت به قله ي 1فوتون متناظر با N0.5، زماني كه هرناحيه ي قله مطابق آمارمنتظره ي پويزوني بدون هيچگونه پارامترهاي مناسب تعيين شدند .
داده ها و منحني هاي حساب شده به طور كلي سازش خوبي نشان مي دهد به جز آنكه ولتاژ خروجي ميانگين تعداد بالاتربيان مي كند كه كمي اضافه تخمين زده شده است . اين ممكن است وابسته به بهمنهاي قويتر خود محدود كننده باشد كه به علت افت پتانسيل ازميان مقاومت سري فتوديود بهمني است .
اوضاع تعداد بالاتر ممكن است بوسيله ي پالاينده توازن مدار خود تفاضل گيربهتر تعيين شود، براي اينكه به جريان بهمني و برايند افت پتانسيل از ميان فتوديود بهمني اجازه مي دهد كاهش يابد يا توسط كاهش مقاومت سري فتوديود بهمني .
در مقابل نتايج كه بالا نمايش داده شده است ، ما درمي يابيم كه براي تعيين تعداد فوتون در عملكرد شيوه ي مرسوم گيت شده گايگر اين ممكن نيست(شكل1.a) براي مقايسه ي ما در شكل 3fتا شكل3j توزيع سيگنالهاي خروجي اندازه گيري شده در شيوه ي مرسوم با يك بسامد ورودي 100kHz و شدتهاي متفاوت پالس ليزر فرودي نشان داديم. براي 0.11 فوتون بر پالس اينجا وجود دارد دو قله در توزيع متناظر با آشكار سازي 0و1 يا تعداد بيشتري فوتون . قله نورتحريك شده به خاطر اشباع جريان بهمني براي بزرگترين ولتاژهاي خروجي به طور كامل نامتقارن ظاهر مي شود. توجه كنيد كه اگر ما شار را تا 10.6 فوتون بر پالس افزايش بدهيم توزيع گسترده نيست و خصوصيات جديدي را ظاهر نمي كند . در مقابل ، توزيع با افت دنباله كم دامنه باريك مي شود ، چرا كه يك مقداروسيعتري از بهمن ها در شارهاي بالاي فوتون اشباع شده است . اين درتقابل تند با رفتار ديده شده در شكل 3.a-e ، براي فتوديود بهمني خود تفاضل گير است . اين تاييد ميكند كه در شيوه ي مرسوم گايگر، فتوديود بهمني مي تواند فقط غياب يا حضور حداقل يك فوتون را آشكار سازي كند ، اما نمي تواند تعداد فوتون را تعيين كند .
مهم است كه فتوديود بهمني خود تفاضل گيربا شيوه ي عملكردخطي فتوديود بهمني در عوامل تقويت بهمن بسياركمتر (~10) ، كه اغلب براي آشكار سازي سطح نور كم-متوسط به كار مي رود(بدون تفكيك پذيري فوتون منفرد) ، مقايسه شود.
برخلاف عملكرد شيوه ي مرسوم گايگر ، كه جريان بهمن مستقل است از تعداد فوتون فرودي ، فتوديود بهمني خود تفاضلگير يك رفتار شبه شيوه ي خطي دارد ( آن يك جريان بهمني كه متناسب است با روشنايي شار توليد مي كند) .
هرچند ، به طور قابل توجهي افزايش ضريب تقويت فتوديود بهمني خود تفاضل گير پنج مرتبه بزرگتر است نسبت به نمونه اي در شيوه خطي مرسوم.
در شيوه ي خطي تغييرات آماري در ضريب تقويت بهمن (M) خطا در اندازه گيري شدت نورفرودي بوسيله ي يك عامل نويز اضافي ايجاد مي كند F=<M^2>/<M>^2 و معمولا با M افزايش مي يابد. براي فتوديود بهمنيInGaAs عامل نويز اضافي به عنوان نمونه 5.5 در M=10 است . بنابراين حتي اگر ما بتوانيم خروجي خيلي ضعيف توليد شده توسط تعداد كم فوتون فرودي را در دستگاه با شيوه معمول خطي كم بهره ثبت كنيم ، تغييرات آماري درضريب تقويت از تعيين تعداد فوتون جلوگيري خواهد كرد .

در شكل 4 ما نويز اضافي (F) را زمانيكه يك عامل ضريب تقويت ميانگين (M) ، در باياسهاي مختلف اضافي ثبت شده است ، رسم كرديم . اينجا F از عدم تطابق گاوسي متناسب با سيگنال 1 فوتون اندازه گيري شده تحت شرايط روشني كم معلوم شده است . به طور قابل توجه ، فتوديود بهمني خود تفاضل گير يك نويز اضافي كم را برقرار مي كند ، حتي براي <M> بالاي 1*106، كه با ميانگين ضريب تقويت افزايش نمي يابد . با تركيب ضريب تقويت بالاي داخلي و نويز كم ، فتوديود بهمني خود تفاضل گير توانست جايگزيني باشد براي شيوه ي خطي فتوديود بهمني كه حساسيت بالا در سطح خيلي پايين روشنايي مورد نياز است .

براي نتيجه ، ديودهاي نوري بهمني مي توانند تعداد فوتون را تعيين كنند . با استفاده از يك مدار خود تفاضل گير براي بازخواني فتوديود بهمني ما قادر بوديم ، جريانهاي خيلي كوچك را زودتر از مرحله پيشروي بهمن اندازه گيري كنيم . ما نشان داديم كه در اين مورد مجموع جريان درميان فتوديود بهمني نسبتا درجه بندي شد با تعداد فوتونهاي فرودي. اين ممكن است نه تنها براي كاربردهاي كوانتوم نوري ، بلكه همچنين براي شمارش تعداد فوتون در سطح پايين آشكار سازي نور مفيد باشد .