高效率硅單光子雪崩二級(jí)管探測系統(tǒng)的研究.pdf

1、信息科學(xué)按照“摩爾定律”高速發(fā)展了數(shù)十年進(jìn)入21世紀(jì)后，由于傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，正面臨著新的挑戰(zhàn)。為了突破發(fā)展瓶頸，量子信息技術(shù)利用量子態(tài)作為信息單元，可以突破經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，將信息科學(xué)推向更廣闊的發(fā)展空間。量子信息技術(shù)最重要的基礎(chǔ)就是量子糾纏，目前利用多光子糾纏技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)八光子糾纏態(tài)的制備。然而提高光子的收集效率是多光子糾纏技術(shù)中需要迫切解決的問題。作為多光子糾纏技術(shù)中核心器件之一——單光子探測器，其探測效率的高低對(duì)收集效

2、率起著決定性的作用。
　　常用的單光子探測器有光電信增管(PMT)，基于超導(dǎo)體材料的超導(dǎo)納米線探測器(SNSPD)和工作于蓋革模式的單光子雪崩二極管(SPAD)探測器。PMT的量子效率低，難以滿足高效率探測器的需求;SNSPD需要復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，成本高而實(shí)用性差。SPAD是全固態(tài)結(jié)構(gòu)的探測器，結(jié)構(gòu)較為簡單、易于集成且量子效率高，幾乎是實(shí)用化量子信息系統(tǒng)的唯一選擇。對(duì)比基于Si的可見光波段SPAD探測器和基于InGaAs/InP的通

3、信波段SPAD探測器，Si-SPAD探測器有著較高的量子效率。然而真正實(shí)現(xiàn)高探測效率的性能，在探測系統(tǒng)的各個(gè)模塊上都有嚴(yán)格的要求。技術(shù)應(yīng)用上的難點(diǎn)主要在于前端淬滅電路有足夠高的過壓以及后端雪崩信號(hào)提取電路對(duì)背景噪聲有足夠強(qiáng)的抑制。因此，對(duì)高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的研究對(duì)于多光子糾纏態(tài)制備乃至整個(gè)量子信息技術(shù)都有重要的意義。
　　論文的研究工作分為以下幾個(gè)部分:
　　(1)理解雪崩光電二極管(APD)的工作原理。APD是S

4、PAD探測器的核心元件，對(duì)APD工作原理的理解可以將SPAD探測器外部表現(xiàn)出的性能與內(nèi)部的物理機(jī)制聯(lián)系在一起，從而為作者研究高性能的SPAD探測器奠定基礎(chǔ)。
　　(2)調(diào)研提高SPAD探測器性能的技術(shù)手段和具體實(shí)施的技術(shù)方案。針對(duì)高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的研究，分析技術(shù)方案實(shí)施的難點(diǎn)。SPAD探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包含APD半導(dǎo)體工藝技術(shù)和電子學(xué)系統(tǒng)技術(shù)。通過調(diào)研了解到，貫穿型厚結(jié)Si-APD和門控淬滅技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效率單光子探測器

5、設(shè)計(jì)的有效方案，而產(chǎn)生高速高壓的門控信號(hào)和雪崩信號(hào)的提取是技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)。
　　(3)制定高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。通過探測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，可以更深入的研究高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)各模塊的功能以及提高探測性能的有效途徑。通過對(duì)技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)的突破，可以更深入的掌握設(shè)計(jì)高效率Si-SPAD探測器的技術(shù)路線，為以后的研究工作積累經(jīng)驗(yàn)。
　　(4)搭建測試平臺(tái)、測試作者研制的單光子探測系統(tǒng)并將測

6、試結(jié)果與同類型探測器的性能作對(duì)比，展示作者對(duì)高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)研究工作的成果。利用測試的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究探測器的總體性能和系統(tǒng)各模塊性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系;通過性能對(duì)比，論證了作者研究方法和路線的正確性。
　　在課題研究中，做出的創(chuàng)新工作和取得的創(chuàng)新成果有:
　　(1)研制出了探測效率高達(dá)74.5％的Si-SPAD探測器，比目前多光子糾纏實(shí)驗(yàn)中使用的商用探測器提高6％左右。對(duì)于十光子糾纏態(tài)制備，可以提高大約79％的收集效率