单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。     

超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注.与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势.目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用.本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

单电子“看见”单光子

假如单光子的波长比 1 μm小很多 ,则单个光子就可以很容易地被光电倍增管探测到 .在光电倍增管里有对光敏感的物质 ,这些物质装在一个真空管里 ,当一个光子打在其上面时 ,可以产生大量的电子 .这种从一个光子到许多电子的转换在可见光至近红外的范围内都工作得很好 ,但是对较长波长的单个光子来说就不那么好了 .Komiyama等报道 〔1〕,用一个单电子晶体管作探测器 ,在测量波长为几百微米的远红外光子时 ,具有极高的灵敏度 ,这样一个探测器不仅对远红外区 (远红外区覆盖了液体或气体分子的振动谱 )的光谱学研究具有非常大的应用价值 ,而且在…     

向长波方向发展的光子数分辨探测技术

研究了光子数分辨探测器技术发展的物理基础，技术现状和发展趋势．重点分析了目前能达到单光子分辨的发展中的三种探测技术：越界超导传感技术（superconducting transition-edge sensor），电荷积分单光子探测技术（charge integration photon detection）和雪崩光电二极管单光子分布探测技术（delayed single photon probability mapping based on avalanche photodiode），讨论了探测器的光子数分辨能力及其噪音来源．     

共线和非共线模式下单光子探测器定标比对实验研究

采用相关光子法定标单光子探测器的量子效率对提高光学载荷的辐射定标准确度具有重要意义.利用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生Ⅰ类自发参量下转换,在共线和非共线两种相位匹配模式下分别测量了单光子探测器雪崩光电二极管在736nm波段的量子效率.结果表明,共线和非共线两种模式测量结果的合成不确定度分别为0.71%和0.39%,相对偏差均优于0.4%,这两种模式都可以定标探测器量子效率,且具有很好的一致性.最后比较了两种模式定标探测器量子效率的优缺点,该研究为以后利用相关光子法对遥感器进行辐射定标提供了晶体相位匹配模式选择的依据.     

基于Nb/Al材料结构的超导纳米线单光子探测器的光学表征（英文）

本文主要研究了作为可见光和近红外光波段Nb基单光子探测器.在本文中概述了Nb+Al结构的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的制备,并对制备出的SNSPD器件进行了直流表征,测试了其超导转变温度,并从中选取了直流特性良好的样品进行了光学表征.当单光子探测器被一个直流偏置在其临界电流以下并接近临界电流值时,激光器发出的1550nm波段的光子脉冲到达单光子探测器,使其产生电学信号.20nm厚的SNSPD不能对单光子产生反应;5nm厚的SNSPD可以探测单个光子,并且计算了其系统探测效率.     

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.     

单光子探测器量子效率的自绝对标定

单光子探测器日益广泛地应用于科学研究的各个领域，精确地标定其量子效率成为应用的先决条件。我们首次实现了单光子探测器量子效率自绝对标定的原理性实验，即只利用待测探测器本身就可以对其量子效率进行绝对标定，而不需要第二个探测器或任何参考标准。该方法基于自发参量下转换产生的纠缠光子对的时间关联性，在信号光子和闲散光子之间引入延时，由单光子计数率和符合计数率测得探测器的量子效率。     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

面向窄线宽超导纳米线单光子探测器的电子束曝光技术

超导纳米线单光子探测器是新型超导电子器件,因其具有高探测效率、低暗计数及低时间抖动等优势,在量子信息、激光雷达等方面已得到广泛的应用.目前主流超导纳米线单光子探测器主要工作在1.5_m 以下的可见光和近红外波段.中红外波长的红外探测技术在基础科学、医学、日常生活以及军事等广泛领域发挥着重要作用,中红外单光子探测器可以使得中红外波段探测技术进入量子极限灵敏度.根据超导纳米线单光子探测器探测机理,超窄线宽的纳米线条可以提升超导纳米线单光子探测器在中红外波长的灵敏度.电子束曝光技术是目前实现超导纳米线单光子探测器纳米线线条加工的主流技术,电子束抗蚀剂种类繁多,面向超窄线宽超导纳米线单光子探测器器件的制备需求,对两款抗蚀剂进行性能测试表征,和窄纳米线制备尝试.根据负性电子束抗蚀剂MaN-2401在制备窄线宽时的显著优点,优化工艺,利用其成功制备出50nm 线宽超导纳米线单光子探测器并成功实现了2000nm 的单光子响应.     

红外波段单光子探测器及其在量子通信领域中的应用

本文简要介绍了红外波段单光子探测器的种类，分析了InGaAs／InP雪崩光电二极管（InGaAs／InPAPD）与超快超导单光子探测器（SSPD）的相关性能，并概述了二者在量子通信中的应用。     

计数率和分辨时间对光场统计性质测量的影响——单探测器直接测量的实验分析

利用工作在盖革(Geiger)模式下的单光子探测器(single-photon-counting module, SPCM)，采取单个探测器直接对光子计数的方法，对相干光场及热光场的光子数统计性质进行了测量和分析. 通过改变计数率，调整分辨时间，系统地研究了光场二阶相干度测量值受实验条件的影响. 结果表明，在综合考虑系统中的各种因素对测量影响的情况下，通过选择合适的测试条件，可以利用单个单光子探测器直接探测的方法快速确定一个待测光场的二阶相干度. 实验表明在实测计数率为109 kc/s，分辨时间范围为2⁸ns—2¹²ns的条件下，该系统能很好地揭示相干光场和热光场的光子统计性质. 关键词： 光子统计 单光子探测器 二阶相干度     

量子密钥分配系统中的通信速率和误码率

基于通信速率和误码率在量子保密通信研究中的重要性, 采用1.55 μm上转换单光子探测器, 分析其量子效率随抽运功率的变化关系, 得出1.55 μm上转换单光子探测器较传统的铟镓砷二极管具有较高的量子效率和较低暗计数的优势, 并根据通信距离、上转换单光子探测器的量子效率和暗计数之间建立一种平衡, 得出每种距离上探测器的优化方案; 在考虑个体攻击无量子记忆的条件下, 比较BB84协议, BBM92协议和差分相移协议的量子密钥分配(QKD)系统的安全通信速率和误码率随通信距离的变化关系, 得出了差分相移键控协议的量子密钥分配系统是一个非常实用的, 通信距离大于200 km的很有吸引力的长距离量子密钥分配系统。     

基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

自发参量下转换双光子场绝对校准光电探测器的方法研究

讨论了一种基于自发参量下转换双光子场绝对校准光电探测器灵敏度的新方法,着重推导了对自发参量下转换过程中产生的单光子的探测概率和双光子的符合速率,从而阐明了绝对测量光电探测器量子效率的原理.基于这一方法对光子计数型光电倍增管的响应灵敏度进行了测量,并将实验结果与常规方法测得的结果进行了比较. 关键词：     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。