利用单光子探测器测量多光子响应时间

通过研究单光子探测器对微弱激光脉冲的暂态响 应特性,利用不同光子数的响应时间实现光 子数的分辨测量。理论上分析了光子数响应时间与微弱光脉冲探测时间的对应关系。实验上 通过测量不同光强下单光子探测器的暂态响应,测量到1550nm波段单光子、 双光子和三光子的响应时间分别为10.73±0.17、8.75±0.32和5.98±0.77ns。实现精确区分微弱光场中的光子数。分析了单光子探测器光子数统计涨落引起的 微弱激光脉冲的探测时间变化对光子数响应时间测量的影响。     

采用多像素光子计数器的探测率与虚警率

为了完善多像素光子计数器（MPPC）在激光测距和激光雷达等方面应用的理论基础,对MPPC作为激光测距或激光雷达光探测器的探测率与虚警率进行了系统研究,运用泊松理论提出了基于MPPC的探测率与虚警率模型,推导了相应的解析表达式,并进行了数值分析,发现了一些传统探测器不存在的有趣特性。数值结果显示,利用多像素光子计数器作为激光测距的光接收器时,即使不使用门控（选通）技术,仅仅依靠等效光电子数探测阈值调节技术就可以达到实际应用中激光测距的系统要求。其灵敏度可达到光子量级,并能进行光子数分辨。该模型和结果对于促进MPPC在激光测距和激光雷达方面的应用,实现高灵敏度快速探测有一定的理论和实用价值。     

激光测距多光子分立时刻的反卷积解算方法

针对多像素光子计数器(MPPC)各像素雪崩电流并联输出、存在光子间隔过小导致脉冲变形而无法分辨光子时刻的问题,结合光子分布与输出脉冲波形,通过数学反卷积,获得了激光测距接收端各探测光子分立时刻的解析解,从而实现了观测量倍增,有助于有效信号的分辨及提取。该方法将单脉冲响应函数近似为高斯形式,分析了MPPC时间抖动的影响,研究了在时间抖动为50~250 ps范围内,从三个入射光子输出的变形脉冲中解算出的分立时刻,得到分立时刻随光子间隔的统计分布图和峰谷分辨度随光子时间间隔、MPPC时间抖动的变化关系。并验证了在1 s观测时间内,千赫兹激光测距系统经反卷积解算前后观测量对比效果。分析结果表明,当统计分布中峰谷分辨度大于10时,各光子分立时刻可以有效分辨,该方法的时间分辨力达到0.2~0.7 ns。     

基于MPPC的改进型光子计数同步通信方法研究

针对多像素光子计数器(MPPC)恢复信号的过程中易受背景光干扰且同步时钟信号提取困难的问题,提出一种基于MPPC的改进型光子计数同步通信方法.首先利用MPPC完成光电转换,采用泊松分布模型中的均值(MV)、安斯库姆根(AR)变换和最大似然(ML)最优阈值检测算法对电脉冲进行预判决;然后生成相位不同的门控周期时钟,并将其作为使能信号以统计脉冲计数总和,通过查找其最大值的方式确定最佳时隙相关同步时钟;最后比较每比特脉冲计数与计数阈值的相对大小以确定比特信息.为了验证方法的有效性,搭建基于MPPC的无线光通信系统.实验结果表明,在波长为520 nm、通信速率为2 Mbit/s、采样频率为200 MHz和比特误码率为3.8×10-3的条件下,改进型PCPB-MV、PCPB-AR和PCPB-ML检测算法的灵敏度较传统检测算法可分别提升3.0dB、3.2dB和3.8dB.     

基于光子数可分辨探测器的单脉冲光子数检测

为了对未知脉冲所含的光子数进行标定,针对不同光子数的光脉冲在超导环境下,微波动态电感探测器(MKID)作用时,测量系统输出的信号差异性,采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别; 经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单,迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。     

基于FPGA的100MHz近红外单光子探测器

为克服InGaAs/InP雪崩二极管(APD)光电探测器的后脉冲现象,本文提出了基于FPGA的单光子探测器(SPD)测量系统,其门控频率最高可达100MHz,门控宽度最窄可到1ns,死区时间设定为109ns,并且这些参数都易于调节且有助于减少后脉冲概率。实验结果表明:在以上门控条件并且制冷温度为218K时,探测器的有效门宽为0.79ns;在死区时间超过109ns时,后脉冲现象可忽略;最大光子探测效率(PDE)约为14%;在光子探测效率为10%时,暗计数率(DCR)约为2×10-5/ns;并具有小型化、易调节的特点。     

基于光子脉冲的外差探测高精度测距系统

设计了光子脉冲外差探测系统的系统结构,利用光子脉冲外差原理与光子探测统计理论,建立了基于光子脉冲外差探测系统的测距精度理论模型。根据方波近似条件和光子脉冲外差探测系统的典型参数,研究了噪声和温度参数对测距精度的影响。仿真实验表明,该系统可以实现高精度的测距。     

基于多像素光子计数器的赝热光场Fano因子研究

为研究激光经运动漫反射目标后光场统计的特性,结合多像素光子计数器(MPPC)的光子统计模型,并利用光子统计二阶矩和均值,得到描述光子数波动的Fano因子。然后对该因子进行曲线拟合,得到衡量赝热光场光子分布杂乱程度的热模数μ,同时可得衡量探测系统增益系数γ和串扰概率ε的组合参数B。实验结果表明,漫反射目标旋转驱动电压从20 mV逐渐变化到1280 mV,回波光子热模数μ从289增加到1229,且随着电压增大,热模数增长速率逐渐减缓。由于探测器增益γ在实验过程中保持恒定,B参数的变化直接反映探测器像素之间串扰概率的变化,结果表明漫反射目标转速增加,MPPC串扰概率ε减小,通过Fano因子的曲线拟合只给出串扰概率的定性描述,得不到增益系数的相关信息。只有对光子统计三阶矩进行分析,才能获得探测器增益及串扰概率的定量描述。     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

光子晶体光纤压力传感器信号检测方案

光子晶体光纤压力传感器可广泛用于各种压力环境监测中.文章分析了光子晶体光纤中光脉冲的传输特性,提出了相位调制型光子晶体光纤压力传感器的基本模型,对光子晶体光纤传感器基于光脉冲相位和光强的信号检测方案进行了讨论.光子晶体光纤传感器的压力敏感性高,而温度敏感远远低于传统的光纤传感器.光子晶体光纤传感器系统简洁、适用.     

The BER theoretical model and properties of SiPM‐based receiver for OOK optical communication

The bit error rate (BER) theory of silicon photomultiplier (SiPM) based on‐off keying optical communication receiver, which introduces photon equivalent threshold is established. The optical crosstalk effect, the dark counts, the amplitude fluctuations of output pulses of SiPM, the baseline fluctuation, the shape of the incident light pulse, the adjacent symbol interference as well as the photon detection efficiency (PDE) are considered in the theory model. The numerical result shows that the average minimum optical power required is much smaller than that of the avalanche photodiode‐based receivers under the same conditions. The BER of SiPM‐based optical communication receiver is very sensitive to the PDE and optical crosstalk (OC) probability of SiPM. For the application of digital optical communication, a SiPM with high PDE but low OC probability and low dark count rate is a preference, under the premise that the output pulse is fast enough. For the state‐of‐the‐art SiPMs, the dark count rate is small enough to obtain adequate BER, and the OC effect is not a big limitation of the performance of SiPM‐based receiver. Moreover, the amplitude fluctuation and the baseline fluctuation of the SiPM‐based receiver are not bottlenecks of the performance in practice.     

基于多像素光子计数器的弱光可见光通信实验系统

可见光通信是一种将照明和通信相结合的新型无线通信技术,但是接收端所采用的传统光电检测器的探测动态范围小、探测效率低,限制着可见光通信的发展。为了进一步提升传输距离和通信速率,本文研究了阵列结构的多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter, MPPC)在可见光通信中的接收模型。实验采用模拟型输出的MPPC作为接收端进行光电转换,首先在弱光实验条件下搭建了可见光通信实验系统,然后推导了基于理想泊松模型的最大似然检测算法并给出了相应的误码率仿真图。仿真结果表明该算法的误码率性能和传统均值检测算法相比更优。最后通过观察不同传输条件下的眼图研究了阵列结构输出的泊松模型和叠加特性,并用实验数据对算法仿真结果进行了验证。实验表明,在工程应用中阵列结构的MPPC相比传统单光子检测器具有一定的优越性,为后续可见光通信系统设计和优化提供了支撑。      

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探 测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了 一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲 稳 定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄 别阈 值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊 松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为 基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时 间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探 测光子计 数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。     

频谱分割DWDM无源光网络系统串扰实验研究

设计实现了基于宽光源频谱分割密集波分复用无源光网络(DWDM-PON)的实验系统。针对于相邻信道和非相邻信道串扰,通过串扰理论模型分析、系统实验测试得出的丢包率和光谱图比较了二者的影响;对比了理论和实验中DWDM-PON系统的串扰功率代价。结果表明:在信道间隔为0.8nm、速率为125Mbit/s的情况下,相邻信道串扰带来的光功率代价约为0.2dB;相邻信道引起的串扰远大于非相邻信道引起的串扰,非相邻信道引起的串扰影响可以忽略。     

Kerr介质中耦合双原子与单模光场相互作用的光子统计演化

利用全量子化理论,研究了Kerr介质中耦合二能级双原子与单模光场相互作用的光子统计演化规律,揭示了Kerr介质对场的平均光子数的影响,并讨论了初始场强及原子间耦合系数的变化与场的平均光子数的关系.     

Direct Measurement of Non-Classical Photon Statistics with a Multi-Pixel Photon Counter

Photon number resolving detectors with high accuracy bring broad applications in long-distance laser ranging, ultrafast spectroscopy, and quantum optics. In this paper, we observed the non-classical photon number distribution directly with a multi-pixel photon counter (MPPC) instead of a classic Hanbury-Brown and Twiss (HBT) system. The detector’s photon-number resolving ability was characterized by quantum detector tomography. To show the quantum feature of the detector, we further plotted the Wigner function, which was obtained corresponding to the positive operator value measure (POVM) elements. Finally, we declared the observation of non-classical photon statistics from a single color center in nanodiamond by using this detector.     

Photon properties of light in semiconductor microcavities

Properties of atom-like emitters in cavities are successfully described by cavity quantum electrodynamics(cavity-QED).In this work,we focus on the issue of the steady-state and spectral properties of the light emitted by a driven microcavity containing a quantum well (QW) with the excitonic interactions using simulation of fully quantum-mechanical treatment.The system is coherently pumped with laser,and it is found that depending on the relative values of pumping rate of stimulated emission,either one or two peaks close to the excitation energy of the QW or to the natural frequency of the cavity are shown in the emission spectrum.Furthermore,the nonclassical proprieties of the emitted photon have been investigated.This excitonic system presents several dynamical and statistical similarities to the atomic system,in particular for the bad-cavity and good-cavity limits.The results show that the photon emission can be significantly amplified due to the coupling strength between a single emitter and radiation field in the microcavity,and it is concluded that the present semiconductor microcavity system may serve as a QW laser with low threshold.