表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP单光子探测器的光学传输和光电耦合机理研究

Single photon detectors play an important role in the development of quantum information technology. Dark count rate is the basic parameter for a single photon diode. InGaAs/InP single photon avalanche photodiodes(APDs) suffer from dark count rates that are higher than for the commercial Si counterparts. The devices' dark count rates are directly related to the dark current , which reduces with the reduction of the area. This project presents a novel InGaAs/InP single photon APD integrated with a plasmonic optical microcavity, which includes concentric circular metallic artificial structure layer, dielectric layer and metallic artificial structure layer(MIM). Based on the coupling of surface plasmon polaritions, light with specific wavelength is efficiently collected and converged on the InGaAs/InP avalanche diode. As a result, ultra low dark current could be realized through reducing the device's area to the order of micrometers , while retaining the optical responses. The novel InGaAs/InP single photon APD could effectively overcome the drawback of high dark count rates that originated from material defects, and greatly improve single photon detection performances.

单光子探测器的性能对未来量子信息技术的发展有着极其重要的作用。暗计数是单光子探测器最基本的指标。相对于成熟的硅基单光子探测器，近红外波段的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）单光子探测器的技术瓶颈在于暗计数较高。反映暗计数的直接指标就是器件的暗电流，减小器件的结面积是有效减小暗电流的途径之一。本项目提出一种新型的表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP APD单光子探测器，通过在InGaAs/InP APD器件上集成一种同心圆环形的金属人工结构-介质层-金属人工结构（MIM）的光学微腔结构，基于金属表面等离激元的耦合效应，实现对特定波长的光的汇聚增透作用，从而在保持器件光响应的前提下，通过减小APD器件的有效工作尺寸至微米量级来实现极低的暗电流。这种InGaAs/InP APD单光子探测器能够有效克服器件材料缺陷所导致的器件暗计数大这一缺点，从而显著提高其单光子探测水平。

单光子探测器的性能对未来量子信息技术的发展有着极其重要的作用。暗计数是单光子探测器最基本的指标。相对于成熟的硅基单光子探测器，近红外波段的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）单光子探测器的技术瓶颈在于暗计数较高。反映暗计数的直接指标就是器件的暗电流，减小器件的结面积是有效减小暗电流的途径之一。本项目提出一种新型的表面等离激元光学微腔型InGaAs/InP APD单光子探测器，通过在InGaAs/InP APD器件上集成一种同心圆环形的金属人工结构-介质层-金属人工结构（MIM）的光学微腔结构，基于金属表面等离激元的耦合效应，实现对特定波长的光的汇聚增透作用，从而在保持器件光响应的前提下，通过减小APD器件的有效工作尺寸至微米量级来实现极低的暗电流。理论上，实现了MIM表面等离激元光学微腔的结构优化设计，确立真实情况下各物理参数的实际敏感度。针对MIM表面等离激元光学微腔APD器件，实现了符合实际结构和实际材料参数的光波传输和光电转换的物理模型设计，获得了优化的器件参数。实验上，实现了MIM光学微腔型APD原型器件。APD的光敏面直径为5μm，MIM光学微腔的实际入光面直径为33μm。集成MIM光学微腔的APD器件光学响应与30μm尺度APD器件相当，90%击穿电压下暗电流约为2.5×10^-11A（同样工艺条件下30μmAPD器件暗电流约2e-9A水平），暗电流降低80倍，且这一暗电流水平已经优于此类器件的国际先进水平（4×10^-10A）。本项目的研究表明，等离激元光学微腔与APD器件的集成，是一种极为有效的光电联合调控手段。在保证器件光响应的前提下，将APD器件的有效工作尺寸减小至μm量级，实现了极低的暗电流，有效克服器件材料缺陷对器件性能的影响，将能进一步提高单光子探测性能，突破现有InP基APD单光子探测器的性能极限，使其在量子通信、激光三维成像等系统中得到广泛应用。