高速近红外InGaAs/InP单光子探测器设计

量子信息技术的研究中大量采用单光子作为量子 信息的载体,因此单光子探测技术成为近来研究的 热点。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器(SPD)工作频率较低 且无法连续可 调。高速门控模式下,APD的容性效应会带来较强的尖峰噪声将光生雪崩信号湮没,导致探 测器的探测效 率也相对较低。为了提高单光子探测器的工作频率,降低后脉冲概率,设计了基于高速正弦 门控技术的 InGaAs/InP雪崩光电二极管淬灭-重置电路。为了抑制强大的背景噪声提高探测效率,设 计了双APD平衡 方案来提取有效雪崩信号。实验结果表明:设计的探测器工作频率连续可调;在－ 50℃、1～1.3GHz门控频率 条件下,最光子大探测效率为35%,暗计数率为4.2×10 －5/gate。探测效率为18%时 ,暗计数率仅为5.6×10－6/gate,后脉冲概率均低于5×10－6/ns。     

InGaAs/InP单光子探测器的研制

InGaAs/InP单光子探测器是量子密钥分配系统中的重要器件,为了实现InGaAs/InP单光子探测器的国产化,本文采用国产元器件研制了一种InGaAs/InP单光子探测器,包括雪崩二极管、单片机模块、温控模块、偏置电压模块、门控信号模块和小信号处理模块,编写了程序。实验表明,在100 MHz门控条件下且制冷温度为-45 ℃时,探测器的最大探测效率约为25 %,当探测效率为10 %时,暗计数率约为5.8×10-6/ns,后脉冲率仅为1 %。本文研制的单光子探测器能够满足国产仪器设备的要求,对保障我国重点领域信息数据的安全具有显著的价值。     

基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明:在200 MHz门控条件且制冷温度为-55℃时,探测器的最大光子探测效率(PDE)约为20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

基于InGaAs/InP低噪声GHz单光子探测器研究(特邀)

InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)体积小、功耗低、响应速度快,被广泛应用于近红外单光子检测。文中分析了APD雪崩及噪声信号的频谱分布特征,提出了正弦门控结合低通滤波级联方案,噪声抑制比超过40 dB,实现了1～2 GHz高性能探测。当工作速率为1.5 GHz,探测效率设置为20.0%时,后脉冲概率为6.6%,暗计数率仅为6.7×10^-7/gate。此外,集成了APD高速门控产生及延时调节模块,温度反馈稳定控制模块,实现了单光子探测器12 h稳定运行,计数标准差仅为1.0%。最后,为了更完整的描述探测器的量子特征,引入量子探测器层析技术进行标定,重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数,为其在量子通信、量子计算等量子信息技术的应用中提供支撑。     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25 GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25 GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平, 实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高, 单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减, 而后脉冲概率先增大到一个峰值, 然后减小.研究表明, 为获得更高的性能, 需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

用InGaAs/InP APD的红外单光子探测技术

由于在量子信息技术特别是量子密钥分配系统中的应用，以InGaAs／InP雪崩二极管为基础的红外单光子探测技术，近年来成为研究的热点之一。主要介绍了单光子探测用InGaAs／InP APD的选择和实现红外单光子探测器的关键技术：半导体制冷精密温控技术和APD的驱动控制技术，重点介绍了门控电路。     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究（英文）

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平,实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高,单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减,而后脉冲概率先增大到一个峰值,然后减小.研究表明,为获得更高的性能,需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

高速近红外1550nm单光子探测器

高速近红外1 550 nm单光子探测器采用半导体制冷和热管风冷混合技术,雪崩二极管工作于盖革模式下,使用交流耦合方式提供门脉冲信号,通过延迟补偿和采样边沿锁存方式消除尖脉冲干扰,采用反馈门控减小后脉冲的影响。采用了ECL(Emitter Couple Logic)与TTL(Transistor-TransistorLogic)混合电子技术提高单光子探测系统的运行频率,其频率可大于10 MHz;另外,通过对雪崩信号的放大来提高信号的动态范围,进一步优化探测器的性能。实验测试与分析表明,探测器在时钟频率10 MHz、温度-62℃、门脉冲宽度8 ns的条件下的最优性能参数为:量子探测效率12.8%,暗计数率3.76×10-6ns-1,噪声等效功率8.68×10-19W/Hz1/2。     

基于数字采样示波器的InGaAsP单光子雪崩二极管的特性

介绍了由带尾纤的InGaAs/InP雪崩光电二极管建立的近红外单光子探测系统.使用带宽50GHz的数字采样示波器,首次直观地展现了门模式(即盖革模式)工作状态下,单光子探测的模式和过程.并且在波长分别为1310和1550nm的情况下进行了定量研究.在1550nm,工作温度203K条件下,该探测器达到了暗计数概率2.4×10-3每门,量子效率52%,50kHZ的门信号重复频率;在工作温度为238K时,相应参数分别为8.5×10-3,43%和200kHz.     

基于数字采样示波器的InGaAsP单光子雪崩二极管的特性

介绍了由带尾纤的InGaAs/InP雪崩光电二极管建立的近红外单光子探测系统.使用带宽50GHz的数字采样示波器,首次直观地展现了门模式(即盖革模式)工作状态下,单光子探测的模式和过程.并且在波长分别为1310和1550nm的情况下进行了定量研究.在1550nm,工作温度203K条件下,该探测器达到了暗计数概率2.4×10-3每门,量子效率52%,50kHZ的门信号重复频率;在工作温度为238K时,相应参数分别为8.5×10-3,43%和200kHz.     

基于APD-PIN结电容平衡电路的门控单光子探测器

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于610-6/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。     

A New Method to Investigate InGaAsP Single-Photon AvalancheDiodes Using a Digital Sampling Oscilloscope

介绍了由带尾纤的InGaAs/InP雪崩光电二极管建立的近红外单光子探测系统. 使用带宽50GHz 的数字采样示波器，首次直观地展现了门模式（即盖革模式）工作状态下，单光子探测的模式和过程. 并且在波长分别为1310和1550nm的情况下进行了定量研究. 在1550nm，工作温度203K条件下，该探测器达到了暗计数概率2.4E-3每门，量子效率52%, 50kHz的门信号重复频率；在工作温度为238K时，相应参数分别为8.5E-3,43%和200kHz.     

Element base of quantum informatics II: Quantum communications with single photons

Quantum cryptography can provide almost complete security of the data transmitted in optical telecommunication systems by single photons based on the laws of quantum mechanics. The paper presents a brief overview of the element base and experimental investigations in the field of quantum cryptography and data transmission by single photons in atmospheric and optical fiber quantum communication lines. Two experimental setups for the single-photon quantum key distribution in the atmospheric and optical fiber quantum channels are described. The results of the quantum key distribution experiments performed on them are given.     

基于ADN8831实现红外单光子探测器的精密温度控制

分析了在红外通信波段对量子密钥分配的达到最好的探测效率和最小的暗计数,存在一个最佳工作温度;而且探测器噪声对温度相当敏感.介绍了基于ADN8831控制器控制半导体热电制冷器来实现红外单光子探测器的精密温度控制的方法.给出了ADN8831芯片的特点和应用电路.实验表明该电路控制精度可达±0.01℃.利用此精密温控电路来改变InGaAs/InP雪崩光电二极管的工作温度,得到几组不同温度下光电流、暗电流-电压特性曲线.     

自由空间量子密码通信中量子密钥比特率研究

通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、检测因子和数据筛选因子,给出了自由空间量子密钥分配中量子密钥比特率的表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了量子密钥比特率的数值仿真研究.结果表明,在低轨卫星-地面站间进行量子密钥分配是可行的.     

一种量子密钥分配方案的研究

利用海森堡测不准原理和量子不可克隆定律的量子密码体制被证明是无条件安全。由于产生和检测单光子比较困难,且基于离散变量的量子密钥分配难以获得高的信息传输速率,本文介绍了利用混沌系统的特性,通过初始密钥使通信双方设置相同的系统参数和初始状态,从而获得密钥量的扩展,并讨论了方案的安全性。     

高增益红外单光子探测技术研究进展（特邀）

超灵敏单光子探测是光量子信息和量子调控领域发展的关键技术,实现高效率、超灵敏、低功耗以及低成本的单光子探测具有重要的科学意义和应用价值。与可见光波段的Si基单光子探测器相比,红外响应单光子探测器目前在成本和性能方面都存在较大差距,探索基于新材料和新机制的红外单光子探测技术是光电探测领域发展的迫切需求。近年来,低维材料由于其独特的物化性质,为研制高增益、室温工作和宽波段响应的探测器提供了新的可能,高性能低维材料光电探测技术也成为了当前红外探测领域的研究热点。文中首先回顾了传统雪崩类半导体红外光电探测器的基本原理,在此基础上,介绍了基于新型低维材料的雪崩机制光电探测技术的最新进展,之后讨论了光诱导栅压效应型光电探测器件的新型光增益放大机制,并描述了在该工作机制下相关低维材料红外探测器的基本结构和性能表现。最后展望了高增益红外单光子探测技术的未来发展方向和面临的挑战。     

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0～1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。