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.     

基于探测器模型的MPPC标定方法

探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。     

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     

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。     

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。     

硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器

基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间（dTOF）探测器。集成的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构，显著提高了对近红外光子的探测概率；采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环，有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器（TDC），获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明，SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率（PDP）峰值达到45%，在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%，暗计数率（DCR）小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围，差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）均小于±1 LSB(1 LSB=130 ps)。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点，可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。     

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.     

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.     

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.     

基于标准探测器的硅单光子雪崩探测器探测效率测量

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置。首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2)。该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量。     

Passive decoy state SARG04 quantum-key-distribution with practical photon-number resolving detectors

SARG04 protocol has its advantages in defending photon number splitting attack, benefited from two-photon pulses part. In this paper, we present a passive decoy state SARG04 scheme combining with practical photon number resolving (PNR) detectors. Two kinds of practical detectors, transition-edge sensor and time-multiplexing detector, are taken into consideration. Theoretical analysis shows that both of them are compatible with the passive decoy state SARG04. Compared with the original SARG04, two detectors can boost the key generation rate and maximal secure distance obviously. Meanwhile, the result shows that quantum efficiency and dark count of the detector influence the maximal distance slightly, which indicates the prospect of implementation in real quantum key distribution system with imperfect practical PNS detectors.     

Preliminary results for the design,fabrication,and performance of a backside-illuminated avalanche drift detector

The detection of low-level light is a key technology in various experimental scientific studies. As a photon detector, the silicon photomultiplier （SiPM） has gradually become an alternative to the photomultiplier tube （PMT） in many applications in high-energy physics, astroparticle physics, and medical imaging because of its high photon detection efficiency （PDE）, good resolution for single-photon detection, insensitivity to magnetic field, low operating voltage, compactness, and low cost. However, primarily because of the geometric fill factor, the PDE of most SiPMs is not very high; in particular, for those SiPMs with a high density of micro cells, the effective area is small, and the bandwidth of the light response is narrow. As a building block of the SiPM, the concept of the backside-illuminated avalanche drift detector （ADD） was first proposed by the Max Planck Institute of Germany eight years ago; the ADD is promising to have high PDE over the full energy range of optical photons, even ultraviolet light and X-ray light, and because the avalanche multiplication region is very small, the ADD is beneficial for the fabrication of large-area SiPMs. However, because of difficulties in design and fabrication, no significant progress had been made, and the concept had not yet been verified. In this paper, preliminary results in the design, fabrication, and performance of a backside-illuminated ADD are reported; the difficulties in and limitations to the backside-illuminated ADD are analyzed.     

光极限探测技术在空间通信中的应用

光是人类最早的科学研究对象之一,光子是光的最小能量单元,具备量子的基本特征.随着科学技术发展,人类已经能够实现对单个光子的极限探测.光的常规探测已经普遍应用于地面光纤通信中,而光的极限探测则在空间量子通信及深空超远距离光通信中具备重要的应用价值.文章介绍了光极限探测技术在空间量子科学实验、空间光子通信中的典型应用及涉及...     

利用多像素光子计数器的光学串话效应提高光子探测效率

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示,在这两种光子计数模式下,利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个,忽略OC效应时的光子探测效率等于30%,光学串话概率等于50%,以及单脉冲入射光子数均值为10时,包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%,达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。     

Performance of a superconducting single photon detector with nano-antenna

<正>The performance of single-photon detectors can be enhanced by using nano-antenna.The characteristics of the superconducting nano-wire single-photon detector with cavity plus anti-reflect coating and specially designed nanoantenna is analysed.The photon collection efficiency of the detector is enhanced without damaging the detector’s speed,thus getting rid of the dilemma of speed and efficiency.The characteristics of nano-antenna are discussed,such as the position and the effect of the active area,and the best result is given.The photon collection efficiency is increased by 92 times compared with that of existing detectors.     

Internal cancellation of spikes using two avalanche photodiodes in series for single photon detection

<正>We propose a method of improving the performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes by using two avalanche photodiodes in series as single photon detectors for 1550-nm wavelength.In this method,the raw single photon avalanche signals are not attenuated,thus a high signal-to-noise ratio can be obtained compared with the existing results.The performance of the scheme is investigated and the ratio of the dark count rate to the detection efficiency is obtained to be 1.3×10~(-4) at 213 K.     

The analysis of the integral gated mode single photon detector

This paper critically analyses and simulates the circuit configuration of the integral gated mode single photon detector which is proposed for eliminating the transient spikes problem of conventional gated mode single photon detector. The relationship between the values of the circuit elements and the effect of transient spikes cancellation has been obtained. With particular emphasis, the bias voltage of the avalanche photodiode and the output signal voltage of the integrator have been calculated. The obtained analysis results indicate that the output signal voltage of the integrator only relates to the total quantity of electricity of the avalanche charges by choosing the correct values of the circuit elements and integral time interval. These results can be used to optimize the performance of single photon detectors and provide guides for the design of single photon detectors.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率