ПАРАМЕТРЫ ДЕТЕКТОРОВ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ НА ОСНОВЕ ЛА- ВИННЫХ ФОТОДИОДОВ ДЛЯ СИСТЕМ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИ
|
АННОТАЦИЯ 3
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Физические основы работы лавинных фотодиодов 10
1.1 Физика работы лавинного фотодиода 10
1.2 Основные параметры лавинных фотодиодов 16
1.3 Режимы работ лавинных фотодиодов 21
1.4 Структура лавинных фотодиодов 22
2 Детекторы одиночных фотонов 29
2.1 Основные параметры детекторов одиночных фотонов 29
2.2 Виды детекторов одиночных фотонов 32
2.3 Режимы работы детекторов одиночных фотонов 36
2.3.1 Синхронный режим работы детектора одиночных фотонов 36
2.3.2 Асинхронный режим работы детектора одиночных фотонов .... 39
3 Экспериментальные методы измерения параметров детекторов
одиночных фотонов 41
3.1 Основные требования к измерению параметров детекторов
одиночных фотонов 41
3.2 Описание экспериментального стенда Российского квантового
центра 45
3.3 Описание экспериментального стенда центра «Квантовые
технологии» 48
4 Экспериментальные данные и обсуждение 51
4.1 Результаты экспериментальных измерений детекторов одиночных
фотонов, проведенные на стенде Российского квантового центра 52
4.2 Результаты экспериментальных измерений детекторов одиночных
фотонов, проведенные на стенде центра «Квантовые технологии» 54
4.3 Обсуждение полученных результатов 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Физические основы работы лавинных фотодиодов 10
1.1 Физика работы лавинного фотодиода 10
1.2 Основные параметры лавинных фотодиодов 16
1.3 Режимы работ лавинных фотодиодов 21
1.4 Структура лавинных фотодиодов 22
2 Детекторы одиночных фотонов 29
2.1 Основные параметры детекторов одиночных фотонов 29
2.2 Виды детекторов одиночных фотонов 32
2.3 Режимы работы детекторов одиночных фотонов 36
2.3.1 Синхронный режим работы детектора одиночных фотонов 36
2.3.2 Асинхронный режим работы детектора одиночных фотонов .... 39
3 Экспериментальные методы измерения параметров детекторов
одиночных фотонов 41
3.1 Основные требования к измерению параметров детекторов
одиночных фотонов 41
3.2 Описание экспериментального стенда Российского квантового
центра 45
3.3 Описание экспериментального стенда центра «Квантовые
технологии» 48
4 Экспериментальные данные и обсуждение 51
4.1 Результаты экспериментальных измерений детекторов одиночных
фотонов, проведенные на стенде Российского квантового центра 52
4.2 Результаты экспериментальных измерений детекторов одиночных
фотонов, проведенные на стенде центра «Квантовые технологии» 54
4.3 Обсуждение полученных результатов 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71
В настоящее время мир пронизан проводами, радиоволнами оптическими волокнами, многие системы связи используют их в качестве каналов обмена информацией. Но зачастую, появляется необходимость передать какую-то очень важную секретную информацию, однако, используя обычные каналы связи, нельзя ручаться за секретность переданных данных. Поэтому для обмена секретной информацией, были созданы системы передачи информации по скоростному физическому каналу, секретность которых обеспечивается законами квантовой физики. Таким образом, появились квантово-криптографические системы.
Квантовая криптография стала развиваться в 1984 году, а принцип кодирования, на котором основана работа системы, был придуман в начале века. И как любая молодая наука, квантовая криптография содержит еще очень много неразрешенных проблем. Одна из таких проблем, это скорость передачи данных в системах квантовой криптографии [1].
Многие научно-исследовательские группы, занимающиеся исследованиями квантово-криптографических систем, стремятся создать систему не только со 100% секретностью обмена информацией, но и с высокой скоростью передачи данных. Однако при повышении скорости передачи данных в квантово-криптографических системах, появляются проблемы, связанными с детектированием единичных фотонов.
Необходимость регистрации одиночных фотонов возникла еще в начале ХХ 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 заключалась 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).
На сегодняшний день существует несколько типов фотодетекторов, которые могут справиться с задачей регистрации одиночного фотона с различной степенью эффективности: ЛФД, ФЭУ, многоканальные усилители (ФЭУ- МКП), сверхпроводящие детекторы (СПД). Детекторы на основе лавинного фотодиода InGaAs/InP, хотя и обладают характеристиками хуже, чем сверхпроводниковые детекторы, сравнительно компактны для систем квантовой криптографии, и в перспективе, с началом массового производства лавинных фотодиодов, должны стать недорогими [2-3].
Разработка систем квантовой криптографии поставила задачу проектирования приемников фотонов, работающих в диапазоне 850 до 1600 нм (ближний ИК-диапазон), имеющих высокую скорость счета, высокую квантовую эффективность и малую вероятность ложного срабатывания. До настоящего времени разрабатываемые для работы в ближнем ИК-диапазоне приемники фотонов на основе ЛФД имели сравнительно небольшую скорость счета, ограниченную эффектом послелавинных срабатываний. Малые вероятности темнового отсчета достигались за счет охлаждения ЛФД при помощи жидкого азота. Для этих приемников не были 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 на 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 лавинный пробой. Именно ток пробоя позволяет зарегистрировать акт поглощения 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 измерение зависимостей параметров детекторов одиночных фотонов от температуры и напряжения смещения для систем квантовой криптографии.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1. Аналитический обзор работ по теме детекторов одиночных фотонов для систем квантовой криптографии.
2. Проведение измерений параметров ДОФ на экспериментальном стенде Российского квантового центра.
3. Проведение измерений параметров ДОФ на экспериментальном стенде центра «Квантовые технологии».
4. Анализ полученных экспериментальных результатов и обсуждение Положения, выносимые на защиту:
1. Для детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов со структурой InGaAs/InP изменения значений напряжения лавинного пробоя от температуры в пределах от -40 до -60 °C описываются линейной зависимостью (U = кТ + b), с угловым коэффициентом к = 0,1104 ± 0,02ОС-1 и b = 79,448 ± 0,015 В.
2. При измерении зависимостей темнового счета детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов со структурой InGaAs/InP от температуры ДОФ при квантовой эффективности 10% обнаружена линейная зависимость (/ = кТ + Ь) темнового счета в диапазоне температур от -40 до -60 °C с угловым коэффициентом k равным 70 ± 55 С-1 .
Научная новизна защищаемых положений заключается в том, что установлен характер зависимости напряжения лавинного пробоя от температуры ДОФ для детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов , определяющийся материальной системой полупроводниковой структуры (InGaAs/InP).
Практическая значимость результатов работы основывается на доказательности необходимости проведения предварительных измерений параметров детекторов одиночных фотонов от температуры и напряжения смещения для выбора оптимальных параметров фотоприемнных устройств для регистрации одиночных фотонов для систем квантовой криптографии.
Магистерская диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена рассмотрению физических принципов работы лавинных фотодиодов, структур лавинных фотодиодов, режимов работы лавинных фотодиодов. Во второй главе рассмотрены способы регистрации единичных фотонов. В третьей главе описаны методы измерения параметров детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов на примере экспериментального стенда Российского квантового центра и экспериментального стенда Кафедры квантовой электроники и фотоники. В четвертой главе приведены результаты измерения параметров и построены зависимости характеристики однофотонных детекторов от температуры ЛФД и от напряжения смещения ЛФД.
В приложение А представлен патентный отчет по теме «Детекторы одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодах для систем квантовой криптографии».
Квантовая криптография стала развиваться в 1984 году, а принцип кодирования, на котором основана работа системы, был придуман в начале века. И как любая молодая наука, квантовая криптография содержит еще очень много неразрешенных проблем. Одна из таких проблем, это скорость передачи данных в системах квантовой криптографии [1].
Многие научно-исследовательские группы, занимающиеся исследованиями квантово-криптографических систем, стремятся создать систему не только со 100% секретностью обмена информацией, но и с высокой скоростью передачи данных. Однако при повышении скорости передачи данных в квантово-криптографических системах, появляются проблемы, связанными с детектированием единичных фотонов.
Необходимость регистрации одиночных фотонов возникла еще в начале ХХ 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 заключалась 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).
На сегодняшний день существует несколько типов фотодетекторов, которые могут справиться с задачей регистрации одиночного фотона с различной степенью эффективности: ЛФД, ФЭУ, многоканальные усилители (ФЭУ- МКП), сверхпроводящие детекторы (СПД). Детекторы на основе лавинного фотодиода InGaAs/InP, хотя и обладают характеристиками хуже, чем сверхпроводниковые детекторы, сравнительно компактны для систем квантовой криптографии, и в перспективе, с началом массового производства лавинных фотодиодов, должны стать недорогими [2-3].
Разработка систем квантовой криптографии поставила задачу проектирования приемников фотонов, работающих в диапазоне 850 до 1600 нм (ближний ИК-диапазон), имеющих высокую скорость счета, высокую квантовую эффективность и малую вероятность ложного срабатывания. До настоящего времени разрабатываемые для работы в ближнем ИК-диапазоне приемники фотонов на основе ЛФД имели сравнительно небольшую скорость счета, ограниченную эффектом послелавинных срабатываний. Малые вероятности темнового отсчета достигались за счет охлаждения ЛФД при помощи жидкого азота. Для этих приемников не были 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 на 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 лавинный пробой. Именно ток пробоя позволяет зарегистрировать акт поглощения 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 измерение зависимостей параметров детекторов одиночных фотонов от температуры и напряжения смещения для систем квантовой криптографии.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1. Аналитический обзор работ по теме детекторов одиночных фотонов для систем квантовой криптографии.
2. Проведение измерений параметров ДОФ на экспериментальном стенде Российского квантового центра.
3. Проведение измерений параметров ДОФ на экспериментальном стенде центра «Квантовые технологии».
4. Анализ полученных экспериментальных результатов и обсуждение Положения, выносимые на защиту:
1. Для детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов со структурой InGaAs/InP изменения значений напряжения лавинного пробоя от температуры в пределах от -40 до -60 °C описываются линейной зависимостью (U = кТ + b), с угловым коэффициентом к = 0,1104 ± 0,02ОС-1 и b = 79,448 ± 0,015 В.
2. При измерении зависимостей темнового счета детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов со структурой InGaAs/InP от температуры ДОФ при квантовой эффективности 10% обнаружена линейная зависимость (/ = кТ + Ь) темнового счета в диапазоне температур от -40 до -60 °C с угловым коэффициентом k равным 70 ± 55 С-1 .
Научная новизна защищаемых положений заключается в том, что установлен характер зависимости напряжения лавинного пробоя от температуры ДОФ для детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов , определяющийся материальной системой полупроводниковой структуры (InGaAs/InP).
Практическая значимость результатов работы основывается на доказательности необходимости проведения предварительных измерений параметров детекторов одиночных фотонов от температуры и напряжения смещения для выбора оптимальных параметров фотоприемнных устройств для регистрации одиночных фотонов для систем квантовой криптографии.
Магистерская диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена рассмотрению физических принципов работы лавинных фотодиодов, структур лавинных фотодиодов, режимов работы лавинных фотодиодов. Во второй главе рассмотрены способы регистрации единичных фотонов. В третьей главе описаны методы измерения параметров детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов на примере экспериментального стенда Российского квантового центра и экспериментального стенда Кафедры квантовой электроники и фотоники. В четвертой главе приведены результаты измерения параметров и построены зависимости характеристики однофотонных детекторов от температуры ЛФД и от напряжения смещения ЛФД.
В приложение А представлен патентный отчет по теме «Детекторы одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодах для систем квантовой криптографии».
В результате выполнения магистерской диссертации, был проведен литературный обзор по физическим принципам работы лавинного фотодиода, основным параметрам лавинного фотодиода, режимам работы.
Проведен обзор научных работ по разработке лавинных фотодиодов на основе кремния (Si), германия (Ge), нитрида галлия (GaN), HgCdTe, или из ге- тероструктурных структур группы III-V, такие как InGaAs/InP и InGaAs/InAlAs.
Рассмотрены все виды фотоприёмные устройств, используемых для регистрации одиночных фотонов, а также режимы работы ДОФ на основе лавинных фотодиодов.
С помощью экспериментальных стендов (Российского квантового центра и центра «Квантовых технологий» при ТГУ) проведены измерения параметров детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов. В работе приведены результаты измерений зависимостей параметров детекторов одиночных фотонов в двух режимах от температуры лавинного фотодиода и от напряжения смещения подаваемого на лавинный фотодиод.
Построены и проанализированы зависимости темного счета от температуры ЛФД, темного счета и квантовой эффективности от напряжения смещения ЛФД, напряжения лавинного пробоя от температуры ЛФД.
Показано, что по параметрам ДОФ в режиме стробирования превосходят параметры ДОФ в ждущем режиме. Между параметрами различных ДОФ в ждущем режиме существует разница в значения измеренных параметров, что можно объяснить разбросом параметров эпитаксиальной полупроводниковой структуры ЛФД.
Таким образом, полученные экспериментальные зависимости позволят выбрать рабочую точку для оптимального режима регистрации одиночных фотонов для систем квантовой криптографии, исходя из допустимого уровня ложных срабатываний и квантовой эффективности. Для учебно-исследовательской установки квантовой криптографии центра «Квантовые технологии» был выбран оптимальный режим работы при следующих параметрах ДОФ для Д4: T= 50ОС, DCR=350 Гц, QE=7%, для Д5: T= 50ОС, DCR=1200 Гц, QE=10,5%.
В настоящее время отсутствует полноценное отечественное устройство детектирования одиночных фотонов, способное удовлетворить нужды разработчиков промышленных систем связи, в частности, систем квантовой криптографии по распределению квантового ключа. Необходимо проводить исследования в этом направлении как в области разработки технологии создания эпитаксиальных структур, так и в области изучения оптимальных режимов работы таких приборов.
По итогам работы сформулированы два научных положения.
По теме магистерской диссертации имеется 2 публикации:
1. Izhnin I. I. Single photon avalanche diode detectors based on group IV materials / I. I. Izhnin, K. A. Lozovoy, A. P. Kokhanenko, K. I. Khomyakova, R.M.H. Douhan, V. V. Dirko, A. V. Voitsekhovskii, O. I. Fitsych, N. Yu. Akimenko. - DOI: 10.1007/s13204-021-01667-0 // Applied Nanoscience. - 2020. - P. 1-11.
2. Хомякова К.И. Измерение характеристик детектора одиночных фотонов для квантовых коммуникаций // XV Всеросийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2021). - 2021. Томск: НИ ТГУ. (в печати).
Проведен обзор научных работ по разработке лавинных фотодиодов на основе кремния (Si), германия (Ge), нитрида галлия (GaN), HgCdTe, или из ге- тероструктурных структур группы III-V, такие как InGaAs/InP и InGaAs/InAlAs.
Рассмотрены все виды фотоприёмные устройств, используемых для регистрации одиночных фотонов, а также режимы работы ДОФ на основе лавинных фотодиодов.
С помощью экспериментальных стендов (Российского квантового центра и центра «Квантовых технологий» при ТГУ) проведены измерения параметров детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов. В работе приведены результаты измерений зависимостей параметров детекторов одиночных фотонов в двух режимах от температуры лавинного фотодиода и от напряжения смещения подаваемого на лавинный фотодиод.
Построены и проанализированы зависимости темного счета от температуры ЛФД, темного счета и квантовой эффективности от напряжения смещения ЛФД, напряжения лавинного пробоя от температуры ЛФД.
Показано, что по параметрам ДОФ в режиме стробирования превосходят параметры ДОФ в ждущем режиме. Между параметрами различных ДОФ в ждущем режиме существует разница в значения измеренных параметров, что можно объяснить разбросом параметров эпитаксиальной полупроводниковой структуры ЛФД.
Таким образом, полученные экспериментальные зависимости позволят выбрать рабочую точку для оптимального режима регистрации одиночных фотонов для систем квантовой криптографии, исходя из допустимого уровня ложных срабатываний и квантовой эффективности. Для учебно-исследовательской установки квантовой криптографии центра «Квантовые технологии» был выбран оптимальный режим работы при следующих параметрах ДОФ для Д4: T= 50ОС, DCR=350 Гц, QE=7%, для Д5: T= 50ОС, DCR=1200 Гц, QE=10,5%.
В настоящее время отсутствует полноценное отечественное устройство детектирования одиночных фотонов, способное удовлетворить нужды разработчиков промышленных систем связи, в частности, систем квантовой криптографии по распределению квантового ключа. Необходимо проводить исследования в этом направлении как в области разработки технологии создания эпитаксиальных структур, так и в области изучения оптимальных режимов работы таких приборов.
По итогам работы сформулированы два научных положения.
По теме магистерской диссертации имеется 2 публикации:
1. Izhnin I. I. Single photon avalanche diode detectors based on group IV materials / I. I. Izhnin, K. A. Lozovoy, A. P. Kokhanenko, K. I. Khomyakova, R.M.H. Douhan, V. V. Dirko, A. V. Voitsekhovskii, O. I. Fitsych, N. Yu. Akimenko. - DOI: 10.1007/s13204-021-01667-0 // Applied Nanoscience. - 2020. - P. 1-11.
2. Хомякова К.И. Измерение характеристик детектора одиночных фотонов для квантовых коммуникаций // XV Всеросийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ - 2021). - 2021. Томск: НИ ТГУ. (в печати).
