1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配系统的性能研究

分析了1.55 μm升频单光子探测量子密钥分配(QKD)系统的性能,讨论了升频单光子探测器的主要参数：量子效率和暗计数与抽运功率的关系.比较了BB84协议、BBM92协议和DPSK协议的光纤QKD系统的性能：安全通信速率与距离的关系,通过比较得出升频探测器优于传统的InGaAs/InP雪崩二极管单光子探测器,用升频探测器后的通信距离能比传统的大两倍以上,能很好改善量子通信系统的性能. 关键词： 量子效率 通信速率 暗计数     

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真，得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响，研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现，当深扩散深度为2.3μm固定值时，浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深，相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大，电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时，会发生倍增区外的非理想击穿，导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大，倍增区中心部分雪崩击穿概率越大，而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下，浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响，但深扩散Zn掺杂浓度越高，相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。     

基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术

单光子探测是实现光量子信息处理的关键技术之一。基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术以其独有的极低的暗计数率、极高的量子探测效率和极强的光子数分辨能力而倍受关注。对比于其他的几种单光子探测技术,如光电倍增管、工作于盖革模式的雪崩二极管和超导纳米线等,本文将从其探测原理、实验样品制备和信号采集处理方法等方面出发,对基于热敏超导边界转变传感单光子探测技术研究的历史、现状进行综述,进而展望其未来可能的发.     

基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管

基于深亚微米CMOS工艺,设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响,结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明,保护环间距d=0.6μm时器件性能最优,此时击穿电压为13.5V,暗电流为10-11 A.在过偏压为2.5V时,门控模式下的暗计数概率仅为0.38%,器件在400~700nm之间具有良好的光学响应,500nm时的峰值探测效率可达39%.     

基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术

单光子探测是实现光量子信息处理的关键技术之一。基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术以其独有的极低的暗计数率、极高的量子探测效率和极强的光子数分辨能力而倍受关注。对比于其他的几种单光子探测技术,如光电倍增管、工作于盖革模式的雪崩二极管和超导纳米线等,本文将从其探测原理、实验样品制备和信号采集处理方法等方面出发,对基于热敏超导边界转变传感单光子探测技术研究的历史、现状进行综述,进而展望其未来可能的发展。     

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.     

超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,在激光测距等领域具有重要应用前景.本文将SNSPD应用到1064 nm波段激光测距系统,研究了其暗计数和信噪比对激光测距的影响.基于实验获得的回波数据,结合激光雷达理论,研究了系统信噪比与脉冲积累次数的关系.分析表明,SNSPD暗计数是影响测距距离的关键因素之一.结合仿真,进一步探究了基于SNSPD的激光测距系统信噪比与回波率、暗计数的关系,暗计数较大时,信噪比随脉冲积累次数增加出现波动现象,回波信号湮没.由于SNSPD暗计数极低,本基于SNSPD的测距系统最远测距可达280 km,较同样条件下基于APD探测器的测距系统最远探测距离远40 km,在军事侦查、探测和制导等领域具有重要应用前景.     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

通讯波段单光子探测器的研制

将InGaAs/InP雪崩光电二极管应用于盖革模式下,采用门脉冲模式淬灭雪崩,并使用魔T混合网络抑制尖峰噪声,实现了通信波段1550 nm的单光子探测.在APD工作温度为223 K时,测得暗计数率与探测效率的比值为0.035.     

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。     

盖革模式下反偏压对雪崩光电二极管贯穿特性的影响

利用无源抑制技术,研究了盖革模式下雪崩光电二极管（APD）的电流一电压特性。发现光电流和暗电流的一个显著区别是暗电流不反映贯穿特性,这是光生栽流子和热载流子有不同统计分布的实验证据,也说明在盖革模式下,暗计数增加比光子探测效率增加更快的原因是由于载流子收集效率不同引起的。根据其贯穿特性适当选择盖革模式下APD的反偏压可提高单光子探测器的信噪比。     

Numerical analysis of In0.53Ga0.47As/InP single photon avalanche diodes

A rigorous theoretical model for In 0.53 Ga 0.47 As/InP single photon avalanche diode is utilized to investigate the dependences of single photon quantum efficiency and dark count probability on structure and operation condition.In the model,low field impact ionizations in charge and absorption layers are allowed,while avalanche breakdown can occur only in the multiplication layer.The origin of dark counts is discussed and the results indicate that the dominant mechanism that gives rise to dark counts depends on both device structure and operating condition.When the multiplication layer is thicker than a critical thickness or the temperature is higher than a critical value,generation-recombination in the absorption layer is the dominative mechanism;otherwise band-to-band tunneling in the multiplication layer dominates the dark counts.The thicknesses of charge and multiplication layers greatly affect the dark count and the peak single photon quantum efficiency and increasing the multiplication layer width may reduce the dark count probability and increase the peak single photon quantum efficiency.However,when the multiplication layer width exceeds 1 μm,the peak single photon quantum efficiency increases slowly and it is finally saturated at the quantum efficiency of the single photon avalanche diodes.     

近红外单光子探测器

该单光子探测器在实验中使用半导体制冷器制冷，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门控消除尖脉冲干扰，采用反馈门控减小后脉冲影响，优化电路参数减小暗计数.经实验测试与分析，温度在-62.5℃，门脉冲宽度为50ns，采样门控为10ns的条件下，最佳工作点的暗计数率小于4×10^-6ns^-1，量子效率约18%，噪声等效功率为2.4×10^-19W/Hz^1/2.     

Estimation of photon counting statistics with imperfect detectors

The study on photon counting statistics is of fundamental importance in quantum optics. We theoretically analyzed the imperfect detection of an arbitrary quantum state. We derived photon counting formulae for six typical quantum states(i.e.,Fock, coherent, squeeze-vacuum, thermal, odd and even coherent states) with finite quantum efficiencies and dark counts based on multiple on/off detector arrays. We applied the formulae to the simulation of multiphoton number detections and obtained both the simulated and ideal photon number distributions of each state. A comparison between the results by using the fidelity and relative entropy was carried out to evaluate the detection scheme and help select detectors for different quantum states.     

半导体上转换单光子探测技术研究进展

近年来,量子通信技术取得了卓越的进步和发展,而作为接收端的单光子探测器在其通信系统中则起着至关重要的作用.本文聚焦于当前主流的半导体单光子探测器,就其器件原理、工作模式、优势和劣势等方面进行了相关评述.在此基础上,着重介绍了本课题组所提出的一种新型半导体近红外上转换单光子探测技术（USPD）的研究进展.从USPD的器件基本原理、器件结构、性能指标等方面阐述了其优越性和可行性,并给出了USPD最新的空间光耦合实验结果.半导体上转换单光子探测技术的关键特性在于它不是采用InP雪崩层结构实现信号的放大,而是利用成熟的硅单光子雪崩二极管（Si-SPAD）器件来实现信号的放大和采集,从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题.USPD利用半导体材料,通过外加电场将近红外光子上转换为短波近红外或者可见光子,再用商用Si-SPAD进行探测的方法,也为我们提供了一种单光子探测的新思路,打开了另一扇单光子探测的窗口.     

两个独立全光纤多通道光子纠缠源的Hong-Ou-Mandel干涉

独立光子源的干涉是实现复杂量子体系应用(比如多光子纠缠态产生和量子隐形传态等)的核心技术.利用100 GHz密集波分复用技术,实现了1.55μm全光纤多通道独立纠缠光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,在不去除暗符合(随机符合计数)的情况下,可见度为53.2%±8.4%,去除暗符合可见度可达到82.9%±5.3%.给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了抽运脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件(最佳的抽运脉冲宽度为8 ps,高斯滤波器带宽为40 GHz及以下).在测量Hong-Ou-Mandel干涉之前,先测量了液氮冷却状态下的色散位移光纤关联光子源的符合和随机符合比率,在抽运功率为23μW的情况下,最大比率可以达到131.Hong-Ou-Mandel干涉在高精度光学测量、测量装置无关的量子密钥分配等应用中扮演着极为重要的角色.     

Non-Markovian Master Equation for Distant Resonators Embedded in a One-Dimensional Waveguide

We develop a master equation approach to describe the dynamics of distant resonators coupled through a one-dimensional waveguide. Our method takes into account the back-actions of the reservoirs, and enables us to calculate the exact dynamics of the complete system at all times. We show that such system can cause nonexponential and long-lived photon decay due to the existence of a relaxation effect. The physical origin of non-Markovianity in our model system is the finite propagation speed resulting in time delays in communication between the nodes, and strong decay rate of the emitters into the waveguide. When the distance satisfies the standing wave condition, we find that when the time delay is increased, the dark modes formation is no longer perfect, and the average photon number of dark mode decreases in steady time limit.     

Non-Markovian Master Equation for Distant Resonators Embedded in a One-Dimensional Waveguide

We develop a master equation approach to describe the dynamics of distant resonators coupled through a one-dimensional waveguide. Our method takes into account the back-actions of the reservoirs, and enables us to calculate the exact dynamics of the complete system at all times. We show that such system can cause nonexponential and long-lived photon decay due to the existence of a relaxation effect. The physical origin of non-Markovianity in our model system is the finite propagation speed resulting in time delays in communication between the nodes, and strong decay rate of the emitters into the waveguide. When the distance satisfies the standing wave condition, we find that when the time delay is increased, the dark modes formation is no longer perfect, and the average photon number of dark mode decreases in steady time limit.     

基于相关光子多模式相关性的InSb模拟探测器定标方法

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现“无溯源”的绝对定标. 将该方法推广应用于模拟探测器定标的过程中, 获取两路模拟光电流信号的有效相关信息是主要难点. 在相关光子的多模式相关性理论模型的基础上, 提出了一种新的光电流处理方案. 通过将某一时刻采集到的光电流所包含的电荷量转换为等效光子计数, 采用双光路平衡探测和双通道数据波动校正的技术思路, 开展了红外模拟探测器量子效率定标验证实验研究. 利用532 nm单波长激光器为抽运源、PPLN晶体为非线性晶体, 在25 ℃工作温度下获取了631和3390 nm的相关光子对, 定标了InSb红外模拟探测器在3390 nm处的绝对功率响应度. 结果表明, 对InSb模拟探测器的合成不确定度为7.785%. 根据量子效率与绝对功率响应度之间的函数关系, 定标结果与国内计量单位的校准结果的相对偏差为3.6%. 利用多模式相关性在模拟信号下实现红外模拟探测器的绝对功率响应度定标在国际上暂无此方面的报道, 该方法验证了应用多模式相关性理论开展模拟探测器定标方法的可行性, 对于探索基于相关光子的定标技术和拓宽辐射定标应用领域具有重要意义.     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.