Работа кремниевых фотоэлектронных умножителей со структурой p⁺–p–n⁺ в режиме одноквантовой регистрации

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.

лавинный фотодиод, кремниевый фотоэлектронный умножитель, режим одноквантовой регистрации, скорость счета однофотонных импульсов, скорость счета темновых импульсов, отношение сигнал/шум, чувствительность

1. Квантовая 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.

2. 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.2010.214

3. Василиу, 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.

4. 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/S0032816219020113

5. Towards Optical Partial Discharge Detection with Micro Silicon Photomultipliers / Ming Ren [et al.] // Sensors. – 2017. – Vol. 17, №11. – P. 2595. https://doi.org/10.3390/s17112595

6. Гулаков, И.Р. Фотоприемники квантовых систем / И.Р. Гулаков, А.О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 с.

7. Исследование статистического распределения одноквантовых импульсов лавинных фотоприемников / И.Р. Гулаков [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2010. – №4. – С. 92–97.

8. Асаёнок, М.А. Температурные характеристики кремниевых фотоэлектронных умножителей / М.А. Асаёнок, А.О. Зеневич, О.Ю. Горбадей // Доклады БГУИР. – 2018. – №2 (112). – С. 54–58.