vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-3-349-356vestift-619Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGРабота кремниевых фотоэлектронных умножителей со структурой p+–p–n+ в режиме одноквантовой регистрацииOperation of silicon photoelectronic multipliers with the structure p+–p–n+ in the single quantum registration modeАсаёнокМ. А.AsayonakM. A.

Асаёнок Марина Анатольевна – аспирант

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Maryna А. Asayonak – Postgraduate Student

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

m.asayonok@bsac.byЗеневичА. О.ZenevichA. O.

Зеневич Андрей Олегович – доктор технических наук, професор, ректор 

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Andrey O. Zenevich – D. Sc. (Engineering), Professor, Rector 

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

a.zenevich@bsac.byКочергинаО. В.KacharhinaV. V.

Кочергина Ольга Викторовна – аспирант

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Volha V. Kacharhina – Postgraduate Student

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

o.kochergina@bsac.byНовиковЕ. В.NovikauYa. V.

Новиков Евгений Владимирович – кандидат технических наук, доцент, директор Института современных технологий связи 

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Yauhen V. Novikau – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Director of the Institute of Modern Communication Technologies 

8/2, F. Skorina Str., 220114

e.novikov@bsac.byСорокаС. А.SarokaS. A.

Сорока Сергей Александрович – ведущий инженер 

Логойский тракт, 22, 220090, Минск

Syargey A. Saroka – Leading Engineer

22, Logoiskij tract, 220090, Minsk

soroca@oelt.basnet.byБелорусская государственная академия связиBelarusian State Academy of CommunicationsГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»State Scientific and Practical Association “Optics, Optoelectronics and Laser Technology”202020102020653349356Copyright © Асаёнок М.А., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Новиков Е.В., Сорока С.А., 20202020Асаёнок М.А., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Новиков Е.В., Сорока С.А.Asayonak M.A., Zenevich A.O., Kacharhina V.V., Novikau Y.V., Saroka S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/619

Изучены условия реализации режима одноквантовой регистрации для кремниевых фотоэлектронных умножителей со структурой p+–p–n+ и получены данные об их характеристиках в этом режиме. Приведены структура экспериментальной установки и методика исследований. Выполнены измерения счетных характеристик фотоприемников, таких как зависимости скорости счета однофотонных импульсов, скорости темновых импульсов и отношения сигнал/шум. Представлены зависимости скорости счета однофотонных импульсов от интенсивности оптического излучения, регистрируемого кремниевым фотоэлектронным умножителем. Установлено, что данные зависимости имеют линейный участок, длина которого увеличивается с ростом перенапряжения кремниевых фотоэлектронных умножителей. Также с ростом перенапряжения увеличивается угол наклона линейного участка. Приведены зависимости скорости счета однофотонных и темновых импульсов, а также отношения сигнал/шум от перенапряжения. Получено, что скорость счета темновых импульсов возрастает с увеличением перенапряжения. Установлено, что зависимость отношения сигнал/шум от перенапряжения для этих кремниевых фотоэлектронных умножителей имеет максимум. Для получения максимальной чувствительности исследованных кремниевых фотоэлектронных умножителей необходимо выбирать перенапряжение, соответствующее этому максимуму. В результате сравнения чувствительности исследуемых кремниевых фотоэлектронных умножителей и лавинных фотодиодов установлено, что кремниевые фотоэлектронные умножители, работающие в режиме одноквантовой регистрации, имеют более высокую чувствительность по сравнению с лавинными фотодиодами в этом же режиме работы. С уменьшением температуры данное превосходство сохраняется. Также понижение температуры приводит к уменьшению минимального значения интенсивности регистрируемого оптического излучения. Тем самым доказана возможность работы кремниевых фотоэлектронных умножителей в режиме одноквантовой регистрации. Данные результаты могут применяться в системах квантовой криптографии при приеме оптического сигнала.

The conditions for realizing the single-quantum detection mode for silicon photomultiplier tubes with the p+–p–n+ structure are studied and data on their characteristics in this mode are obtained. The structure of the experimental setup and the research technique are presented. Measurements of the counting characteristics of the photodetectors, such as the dependences of the counting rate of single-photon pulses, the speed of dark pulses, and the signal-to-noise ratio, have been performed. The dependences of the counting rate of one-photon pulses on the intensity of optical radiation recorded by a silicon photomultiplier tube are presented. It was found that these dependences had a linear section, the length of which increased with increasing overvoltage of silicon photomultiplier tubes. Also, with an increase in overvoltage, the angle of inclination of the linear section increased. The dependences of the count rate of one-photon and dark pulses, as well as the signal-to-noise ratio on overvoltage, are given. It was found that the counting rate of dark pulses increased with increasing overvoltage. It was found that the dependence of the signal-to-noise ratio on the overvoltage for these silicon photomultiplier tubes has a maximum. To obtain the maximum sensitivity of the studied silicon photomultiplier tubes, it is necessary to select the overvoltage corresponding to this maximum. As a result of comparing the sensitivity of the investigated silicon photomultiplier tubes and avalanche photodiodes, it was found that silicon photomultiplier tubes operating in the single-quantum detection mode have a higher sensitivity compared to avalanche photodiodes in the same operating mode. With a decrease in temperature, this superiority persisted. Also, a decrease in temperature led to a decrease in the minimum value of the intensity of the recorded optical radiation. Thus, the possibility of operation of silicon photomultiplier tubes in the single-quantum registration mode has been proved. These results can be applied in quantum cryptography systems when receiving an optical signal.

лавинный фотодиодкремниевый фотоэлектронный умножительрежим одноквантовой регистрациискорость счета однофотонных импульсовскорость счета темновых импульсовотношение сигнал/шумчувствительностьavalanche photodiodesilicon photoelectronic multipliersingle-quantum registration modecount rate of single-photon pulsescount rate of dark pulsessignal-to-noise meritsensitivityReferencesКвантовая криптография: идеи и практика / С.Я. Килин [и др.]; под ред. С.Я. Килина, Д.Б. Хорошко, А.П. Низовцева. – Минск: Белорус. наука, 2007. – 391 с.Kilin S. Ya., Khoroshko D. B., Nizovtsev A. P., eds. Quantum Cryptography: Ideas and Practice. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2007. 391 p. (in Russian).Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination / L. Lydersen [et al.] // Nature Photonics. – 2010. – Vol. 4, №10. – P. 686–689. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.214Lydersen L., Wiechers C., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Makarov V. Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination. Nature Photonics, 2010, vol. 4, no. 10, pp. 686–689. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.214Василиу, Е.В. Квантовые системы обеспечения информационной безопасности: учеб.-метод. пособие / Е.В. Василиу, И.Р. Гулаков, А.О. Зеневич. – Минск: Белорус. гос. акад. связи, 2019. – 216 с.Vasiliu E. V., Gulakov I. R., Zenevich A.O. Quantum Systems for Ensuring Information Security. Minsk, Belarusian State Academy of Communications, 2019. 216 p. (in Russian).Исследование двухрежимной работы лавинных фотодиодов при регистрации оптического излучения / О.Ю. Горбадей [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2019. – №2. – С. 81–85. https://doi.org/10.1134/S0032816219020113Gorbadey O. Y., Zenevich A. O., Novikov E. V., Goibov S.A. Investigation of the two-mode operation of avalanche photodiodes in the registration of optical radiation. Instruments and Experimental Techniques, 2019, vol. 62, no. 2, pp. 81–85. https://doi.org/10.1134/s0020441219020106Towards Optical Partial Discharge Detection with Micro Silicon Photomultipliers / Ming Ren [et al.] // Sensors. – 2017. – Vol. 17, №11. – P. 2595. https://doi.org/10.3390/s17112595Ming Ren, Jierui Zhou, Bo Song, Chongxing Zhang, Ming Dong, Albarracín R. Towards Optical Partial Discharge Detection with Micro Silicon Photomultipliers. Sensors, 2017, vol. 17, no. 11, p. 2595. https://doi.org/10.3390/s17112595Гулаков, И.Р. Фотоприемники квантовых систем / И.Р. Гулаков, А.О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 с.Gulakov I. R., Zenevich А.О. Photodetectors of Quantum Systems. Minsk, Higher State College of Communications, 2012. 276 p. (in Russian).Исследование статистического распределения одноквантовых импульсов лавинных фотоприемников / И.Р. Гулаков [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2010. – №4. – С. 92–97.Gulakov I. R., Zalessky V. B., Zenevich A. O., Korytko N. N., Malyshev V.S. Investigation of the statistical distribution of single-quantum pulses of avalanche photodetectors. Instruments and Experimental Techniques, 2010, vol. 53, no. 4, pp. 92–97. https://doi.org/10.1134/s0020441210040159Асаёнок, М.А. Температурные характеристики кремниевых фотоэлектронных умножителей / М.А. Асаёнок, А.О. Зеневич, О.Ю. Горбадей // Доклады БГУИР. – 2018. – №2 (112). – С. 54–58.Asayonak M. A., Gorbadey O. Y., Zenevich A.O. Temperature characteristics of silicon photoelectronic multipliers. Doklady BGUIR, 2018, no. 2 (112), pp. 54–58 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.