紅外單光子探測(cè)器的研制.pdf

1、單光子探測(cè)作為一項(xiàng)重要的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，在物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科內(nèi)眾多領(lǐng)域均有著十分廣泛的應(yīng)用。近些年，隨著量子力學(xué)和信息科學(xué)的發(fā)展，誕生了一門新的學(xué)科分支一量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)和信息學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。在這門學(xué)科中，單光子探測(cè)技術(shù)同樣起著非常重要的作用。 目前，量子信息科學(xué)的研究中大量采用單光子作為量子信息的載體，因此單光子探測(cè)技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。單光子探測(cè)器可以檢測(cè)攜帶量子信息的單光子

2、，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，然后通過(guò)符合測(cè)量、計(jì)數(shù)等手段提取單光子所攜帶的量子信息。因此，為滿足其需求，單光子探測(cè)器應(yīng)該具有較高的探測(cè)效率和較低的暗計(jì)數(shù)率，并且性能穩(wěn)定。 隨著人們對(duì)紅外通信波段(850nm、1310nm和11550nm)量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)研究的不斷深入，對(duì)該波段單光子探測(cè)器的研究也就顯得尤為迫切。20世紀(jì)90年代，國(guó)外已經(jīng)利用硅雪崩光電二極管開(kāi)發(fā)出于400-1000nm波段的商用單光子探測(cè)器。近些年，各國(guó)對(duì)13

3、10nm和1550nm波段單光子探測(cè)器的研究也日漸成熟。目前在這兩個(gè)波段一般選用銦鎵砷(InGaAs/InP)雪崩光電二極管(APD)，由于制造工藝等問(wèn)題，專門針對(duì)單光子探測(cè)的InGaAs/InP APD還不是很成熟，一般都是利用現(xiàn)有針對(duì)光纖通信的商用APD，通過(guò)改變工作環(huán)境，優(yōu)化外圍驅(qū)動(dòng)電路，使其達(dá)到單光子探測(cè)的目的。 本文的主要內(nèi)容是關(guān)于通信波段紅外單光子探測(cè)器的研究和制作，包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1.介紹了實(shí)現(xiàn)紅

4、外單光子探測(cè)的各種方法及其物理原理，特別是在通信波段，實(shí)用的單光子探測(cè)方法主要是使用InGaAs/InP雪崩光電二極管作為光敏感元件，使其工作在蓋革模式下，利用其自身的"自持雪崩"來(lái)進(jìn)行單光子檢測(cè)，增益倍數(shù)可達(dá)到10<'6>以上；本文重點(diǎn)討論了InGaAs/InP APD的結(jié)構(gòu)、工作方式以及在單光子檢測(cè)中要克服的主要困難和要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；接著，對(duì)目前國(guó)際上研制的、專門用于單光子檢測(cè)的雪崩光電二極管進(jìn)行了介紹；并分析了基于InGaA

5、s/InP APD的InGaAs/InP單光子探測(cè)器的主要結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。 2．建立了一套基于Fujistu InGaAs/InP APD的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用混合魔T網(wǎng)絡(luò)抑制由雪崩光電二極管的結(jié)電容產(chǎn)生的尖峰噪聲，成功的探測(cè)到了1550nm單光子脈沖。系統(tǒng)的探測(cè)效率與暗計(jì)數(shù)率均隨著雪崩光電二極管上的偏置電壓的變化而變化，我們得到的暗計(jì)數(shù)率與探測(cè)效率比值的最小值約為0．035。 3．建立了一套基于JDSU In

6、GaAs/InP APD的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩根長(zhǎng)度相等的同軸電纜抑制尖峰噪聲。由于JDSU雪崩光電二極管的性能遠(yuǎn)好于Fujistu，我們得到的該系統(tǒng)的性能參數(shù)也遠(yuǎn)好于前一套系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的探測(cè)效率為10％時(shí)，暗計(jì)數(shù)率小于5×10<'-5>。在此基礎(chǔ)上，我們研制出了可實(shí)用化的紅外單光子探測(cè)器，該紅外單光子探測(cè)器操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可直接應(yīng)用于各種量子密鑰分配系統(tǒng)中。 4．提出了雙APD串聯(lián)抑制尖峰噪聲的方法。該方法與同

7、類抑制尖峰噪聲方法的根本區(qū)別在于：該方法使用了極性相反的門脈沖電壓，因此兩條線路上產(chǎn)生的尖峰噪聲極性相反，可利用線路本身抑制；而其它方法使用的門脈沖電壓極性相同，產(chǎn)生的尖峰噪聲極性也相同，因此必須用其它的元器件進(jìn)行抑制。而加入的這些元器件，都毫無(wú)疑問(wèn)的會(huì)對(duì)APD輸出的雪崩信號(hào)產(chǎn)生影響，如增加電路的噪聲或?qū)ρ┍佬盘?hào)產(chǎn)生衰減，這些都會(huì)增加雪崩信號(hào)的提取難度。因此，理論上雙APD串聯(lián)抑制尖峰噪聲的方法提取APD雪崩信號(hào)的效果最好。利用該方法建