ديودهاي نوري بهمني ، عمدتا به عنوان آشكارسازهايكاربردي تك فوتونها به كار مي روند . اگرچه ابزارهاي مرسوم به يك يا تعدادبيشتري فوتون واكنش نشان مي دهند، آنها نمي توانند تعداد را در پالس فرودييا دوره كوتاه مدت تعيين كنند .
هرچند ، بعضي از آشكارسازهاي تعيينتعداد فوتون به طور ضروري براي كاربردهاي محاسبات كوانتومي، ارتباطاتوتداخل سنجي مورد نيازند ،به همان اندازه كه براي توسعه قابليت اجراءبهطور كلي آشكارسازي كوانتومي .
اكنون ما نشان مي دهيم كه برخلاف باوررايج ، فوتوديود بهمني قادر برآشكارسازي تعداد فوتون با استفاده از تكنيكيهستند كه بهمن هاي خيلي ضعيف را زودتر ازمرحله پيشروي آنها اندازه ميگيرند.
تحت اين شرايط سيگنال خروجي از فوتوديود بهمني متناسب است با تعداد فوتونهاي پالس فرودي.
بهعنوان يك عامل متراكم – دستگاه توليد جرم - بدون مخلوط هاي سرمازا و درطول موجهاي مخابراتي ، آن يك راه حل كاربردي براي آشكارسازي تعداد فوتونپيشنهاد ميكند .
نشان داده شده است كه شمارش كوانتومي مي تواند تنها بااستفاده از اجزاي نوري خطي ، چشمه هاي تك فوتون و آشكار سازها انجام شودكه مي توانند تعداد فوتونها در يك پالس را اندازه گيري كنند. نقش آشكارساز تعيين تعداد فوتون در اين طرح نمي تواند اغراق آميزشودچون آنها براينظارت عملكرد گيتهاي كوانتومي استفاده مي شوند .
در علامت گيت اصلي غير خطي پيشنهاد شده توسط كنيل ، لافليم و ميلبرن ، براي مثال هر عملكرد منفرد

ميتواند به 0،1 يا 2 فوتون درآشكار سازهاي كمكي منتج شود و عملكرد موفقيتآميز گيت به آشكار سازي كامل 0و1 فوتون دراين آشكار سازها نياز دارد . گيتپر اهميت ديگر براي ارتباطات كوانتومي و شمارش اجازه مي دهد گسترش فاصلهروي گره اي كه مي تواند توزيع شده باشد. اين گيت مبادله گره به گزينش پستيمبني 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 خصوصياتچشمه هاي نوركوانتومي خواهند بود به همان خوبي كه براي آشكار سازي به طوركلي سطوح پايين نور.

فوتوديودهاي APDs)) معمولا بيشتر براي آشكارسازي فوتون منفرد استفاده مي شوند به طوري كه آنها ابزارهاي ساده نيمهرسانا عظيم با كارايي هاي بالاي آشكار سازي و تعداد اندك نويز كمنورهستند. 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 پييونيزاسيون ادامه پيدا مي كند وجرياني ماكروسكوپيك را نتيجه مي دهد كه بهسادگي مي تواند آشكار سازي شود. كارايي آشكارسازي بالاي 45 درصد، برايفتوديودهاي بهمني InGaAs/InP در طول موج مخابراتي گزارش شده است ، درصورتي كه مقاديرافزون بر 65 درصد براي طول موجهاي كوتاهتر وسايل سيليكونيSi)) معمول هستند. بنابراين با يكپارچه كردن منطقه جذب در يك حفره يكپارچهي نيمه رسانا ، كارايي آشكار سازي افزون بر 90 درصد در شيوه ي خطي بيانشده است . آشكار سازها مي توانند حتي در دماي اتاق استفاده شوند ، هرچندبراي بهترين عملكرد اغلب آنها به طور ترموالكتريكي تا30- درجه سانتيگرادسرد مي شوند .

تا امروز اين تفكربوده است كه فتوديودهاي بهمني از اندازه گيري تعداد فوتونها در پالس فرودي يا دوره كوتاه مدت ناتوانند.

هرچندبعضي از تكنولوژيهاي ديگر قابليت محدود تعيين تعداد فوتون را نشان دادهاند ، آنها همه به خنك سازي با سرمازا ، يك سطح موثر كوچك يا زمان تلفيقطولاني نياز دارند و اغلب كارايي پاييني دارند .

براي اينكهمزيتهاي كاربردي فتوديودهاي بهمني به كار رود، بعضي ازطرحها كه تفكيكتعداد فوتون را تخمين مي زنند ، پيشتهاد شده بودند به اين صورت كه يك پالسفرودي شكافته شد و روي آشكار سازهاي متعدد ، يا يك آشكارسازواحد درزمانهاي مختلف ، ثبت شد.

در ادامه ، ما براي اولين بار نشان ميدهيم فتوديودهاي بهمني منفرد مي توانند فوتونها در يك پالس فرودي از نورليزر را بدون هيچ نيازي براي شكافتن درفاصله يا زمان بشمارند .

دريك فتوديود بهمنيInGaAs/InP يك (يا تعداد بيشتر) حفره ي نوري برانگيختهتكثير بهمني را در يك لايه ي InP در معرض ميدان الكتريكي قوي به راه مياندازند. يك آبشار از رويدادهاي اثر يونيزاسيون توسط حفره(ها)ي نوري شروعمي شود كه منتج مي شود به جريان ميسر بين الكترودهاي فتوديود بهمني و يكجريان بهمني خود تغذيه كه جاري مي شود در ميان وسيله . وقتي كه بهمن درتمام حجم تكثيري فتوديود بهمني ايجاد شده است جريان بر يك مقداراشباع ميشود كه به باياس به كاربرده شده و به مجموع مقاومت مدار بسته است ، اما بهتعداد 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 تابهمن را فرونشاند.

فتوديودهاي بهمني InGaAs معمولا در روش گايگرگيت دار به كار رفته اند، براي آنكه پالسهاي ولتاژ متناوب براي باياسفتوديود بهمني بالاي ولتاژ شكست (VBD) با يك باياس اضافي(VEX) براي دورهكوتاه چند نانو ثانيه اي به كار رفته اند كه بهمن را فعال مي كند و سپسفرو مي نشاند . اين شيوه براي توزيع كليد كوانتومي خيلي مناسب است وكاربردهاي ديگر استفاده يك منبع پالسي . سيگنال خروجي فوتون انگيخته(بعنوان افت ولتاژ در ميان يك مقاومت سري 50 اهم وابسته به جريان فتوديودبهمني حساب شده است) اضافه شده بر پاسخ خازني وسيله براي پالسهاي ولتاژبكار رفته ، همانطور كه در تصوير 1.a نشان داده شده است.اين سيگنال خازنييك حد ، براساس دامنه ضعيفترين بهمن كه مي تواند براي عملكرد معمول آشكارسازي شود ، قرار مي دهد .

براي اينكه تعداد فوتون فرودي را تعيينكند ، لازم است كه جريان را به كوتاهي بعد از شروع تشكيل بهمن اندازهبگيرد . جريان كوچك مرتبط با يك چنين بهمن هايي مي تواند آشكار سازي شودبا حذف پاسخ خازني فتوديود بهمني مورد استفاده در مداركه در تصوير 1.bنشان داده شده است، يك مدار توسعه يافته براي افزايش سرعت شمارش فوتون .در اين مدار سيگنال خروجي فوتوديود نوري به دومسير شكافته شده است ، كهيكي تاخيريك تناوب از ولتاژ باياس تناوبي وابسته به مسير ديگررانشان ميدهد . براي ارائه داده ها در اينجا ولتاژ باياس فوتوديود نوري بسامد622مگاهرتز، متناظر با تاخير1.61 نانوثانيه دارد . به اين ترتيب سيگنال پاسخخازني متناوب فوتوديود نوري عملا با تفاوت گذاشتن بين سيگنالها در دو مسيرحذف شده است ، چنانكه در شكل 1.b نشان داده شده است . اين به تشخيصجريانهاي بهمني ده ها بار ضعيفتر از آنها كه معمولا مي توانند اندازه گيريشوند 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 .

شكل2 طرح مي كند توزيع را در قله ي سيگنال ولتاژهاي خروجي از فوتوديود نوريخود تفاضل گير براي ميانگين شار آشكارشده μ=1.49 فوتون بر پالس از يك ليزرپالسي1550 نانومتري.

اينجا باياس اضافي بر 1.5vقرار گرفته است ، متناظر با بازده آشكار سازي 10 درصدي.

ترسيميك 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 توسط0،1،2،3، يا 4 فوتون نسبت مي دهيم.

با اندازه گيري جريان بهمني قبلاز اينكه در وسيله اشباع شود ، ما مي توانيم بهمن هاي تحريك شده توسطتعداد 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 ي0 فوتون در شكل 2 متناظر با دوره ها يي است كه بهمن نيستند ،تنها نويزوابسته به يك مولفه جبران نشده پاسخ خازني (~ 4.7mV)، به علت يك سيگنالكوچك عدم مطابقت بين دو بازوي مدار خود تفاضل گير است. ميزان تعداد تاريكدر تمام اندازه گيري هاي ارائه شده در اينجا ناچيز است (كمتر از2*10-6 درهر ورودي) .



جايگذاري خصوصيات در شكل 2 براي آشكار سازيوضعيت متفاوت تعداد فوتون توسط بستگي توزيع سيگنال خروجي در شدت پالسليزرفرودي برقرار شده است . شكل 3 نمودارهاي ستوني قله ي سيگنال ولتاژهايخروجي ثبت شده را براي شدت فرودي متفاوت نمايش مي دهد . توجه كنيد كه درپايين ترين شدت نور، فقط قله 1 فوتون درامتدادخط به همراه قله 0 فوتونممكن است مشاهده شود . هنگاميكه شدت ليزر كاهش مي يابد قله هاي چند فوتونيبه 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 فوتونبين 0.80 و1.54 فوتون بر پالس قويترين است .

خطوط قرمز در شكل 3aتا3e (و خط قرمز در شكل2) متناسب با اطلاعات فرضي ، يك توزيع پويسني ازتعداد فوتون در شار فرودي را نشان مي دهد.

گاوسي ها با توزيع ثبتشده براي كمترين شار فرودي متناسب بودند تا يك ولتاژ ميانگين وپهنا برايسيگنال 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 تغييراتآماري در ابعاد بهمن راه انداخته شده توسط فوتون وسيعتر است ، چنانكه درزيربه تفصيل مورد بحث قرار گرفته است .

پهناهاي قله هاي –N مقياسگذاشته شدند نسبت به قله ي 1فوتون متناظر با N0.5، زماني كه هرناحيه ي قلهمطابق آمارمنتظره ي پويزوني بدون هيچگونه پارامترهاي مناسب تعيين شدند .

دادهها و منحني هاي حساب شده به طور كلي سازش خوبي نشان مي دهد به جز آنكهولتاژ خروجي ميانگين تعداد بالاتربيان مي كند كه كمي اضافه تخمين زده شدهاست . اين ممكن است وابسته به بهمنهاي قويتر خود محدود كننده باشد كه بهعلت افت پتانسيل ازميان مقاومت سري فتوديود بهمني است .

اوضاعتعداد بالاتر ممكن است بوسيله ي پالاينده توازن مدار خود تفاضل گيربهترتعيين شود، براي اينكه به جريان بهمني و برايند افت پتانسيل از ميانفتوديود بهمني اجازه مي دهد كاهش يابد يا توسط كاهش مقاومت سري فتوديودبهمني .

در مقابل نتايج كه بالا نمايش داده شده است ، ما درمييابيم كه براي تعيين تعداد فوتون در عملكرد شيوه ي مرسوم گيت شده گايگراين ممكن نيست(شكل1.a) براي مقايسه ي ما در شكل 3fتا شكل3j توزيعسيگنالهاي خروجي اندازه گيري شده در شيوه ي مرسوم با يك بسامد ورودي100kHz و شدتهاي متفاوت پالس ليزر فرودي نشان داديم. براي 0.11 فوتون برپالس اينجا وجود دارد دو قله در توزيع متناظر با آشكار سازي 0و1 يا تعدادبيشتري فوتون . قله نورتحريك شده به خاطر اشباع جريان بهمني براي بزرگترينولتاژهاي خروجي به طور كامل نامتقارن ظاهر مي شود. توجه كنيد كه اگر ماشار را تا 10.6 فوتون بر پالس افزايش بدهيم توزيع گسترده نيست و خصوصياتجديدي را ظاهر نمي كند . در مقابل ، توزيع با افت دنباله كم دامنه باريكمي شود ، چرا كه يك مقداروسيعتري از بهمن ها در شارهاي بالاي فوتون اشباعشده است . اين درتقابل تند با رفتار ديده شده در شكل 3.a-e ، براي فتوديودبهمني 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 سازيكند ، اما نمي تواند تعداد فوتون را تعيين كند .

مهم است كهفتوديود بهمني خود تفاضل گيربا شيوه ي عملكردخطي فتوديود بهمني در عواملتقويت بهمن بسياركمتر (~10) ، كه اغلب براي آشكار سازي سطح نور كم-متوسطبه كار مي رود(بدون تفكيك پذيري فوتون منفرد) ، مقايسه شود.

برخلاف عملكرد شيوه ي مرسوم گايگر ، كه جريان بهمن مستقل است از تعدادفوتون 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.

درشيوه ي خطي تغييرات آماري در ضريب تقويت بهمن (M) خطا در اندازه گيري شدتنورفرودي بوسيله ي يك عامل نويز اضافي ايجاد مي كندF=<M^2>/<M>^2 و معمولا با M افزايش مي يابد. براي فتوديودبهمنيInGaAs عامل نويز اضافي به عنوان نمونه 5.5 در M=10 است . بنابراينحتي اگر ما بتوانيم خروجي خيلي ضعيف توليد شده توسط تعداد كم فوتون فروديرا در دستگاه با شيوه معمول خطي كم بهره ثبت كنيم ، تغييرات آماري درضريبتقويت از تعيين تعداد فوتون جلوگيري خواهد كرد .



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



براينتيجه ، ديودهاي نوري بهمني مي توانند تعداد فوتون را تعيين كنند . بااستفاده از يك مدار خود تفاضل گير براي بازخواني فتوديود بهمني ما قادربوديم ، جريانهاي خيلي كوچك را زودتر از مرحله پيشروي بهمن اندازه گيريكنيم . ما نشان داديم كه در اين مورد مجموع جريان درميان فتوديود بهمنينسبتا درجه بندي شد با تعداد فوتونهاي فرودي. اين ممكن است نه تنها برايكاربردهاي كوانتوم نوري ، بلكه همچنين براي شمارش تعداد فوتون در سطحپايين آشكار سازي نور مفيد باشد .