基于APD单光子探测器的光子到达时间标记精度研究EI北大核心CSCD

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间,提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统,该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟,研究时间延迟的分布情况,该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示,雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns,标准差为2.23 ns,即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns,表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。     

用于红外单光子探测的雪崩光电二极管传输线抑制电路模型的理论分析

结合利用雪崩光电二极管(APD)进行红外单光子探测电路模型的工作原理和特点以及传输线瞬态电脉冲产生的过程,提出了将传输线瞬态过程脉冲发生电路模型用于APD雪崩抑制的一种新方法,该方法可以实现利用APD门模工作方式进行红外单光子探测的过程.主要从理论上计算了红外单光子信号入射APD时,传输线脉冲发生电路模型中负载电阻输出电脉冲的特点,讨论了传输线终端不同边界条件对输出电脉冲的影响,通过理论计算确定了这种利用APD进行红外单光子探测新模型的电路结构与参数,证明了该电路模型用于红外单光子探测APD门模工作方式的 关键词： 红外单光子探测技术 雪崩光电二极管(APD) 抑制电路 传输线瞬态过程     

采用智能温度补偿电路的分布式光纤喇曼温度传感器

采用一种智能温度补偿电路对雪崩光电二极管的反偏电压进行温度补偿,抵消环境温度对雪崩光电二极管的影响,从而大大降低了系统的温度漂移.采用该温度补偿电路的系统可在0℃到60℃的环境温度范围内将温漂引起的测量偏差控制在±0.1℃之内.和传统的恒温装置相比,采用该温度补偿电路可有效地降低系统的功耗和成本.相对采用热敏电阻的温度...     

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.     

采用智能温度补偿电路的分布式光纤喇曼温度传感器

采用一种智能温度补偿电路对雪崩光电二极管的反偏电压进行温度补偿,抵消环境温度对雪崩光电二极管的影响,从而大大降低了系统的温度漂移.采用该温度补偿电路的系统可在0℃到60℃的环境温度范围内将温漂引起的测量偏差控制在±0.1℃之内.和传统的恒温装置相比,采用该温度补偿电路可有效地降低系统的功耗和成本.相对采用热敏电阻的温度补偿电路,该温度补偿电路的温度补偿线性更好,补偿系数设置更灵活.     

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。     

单光子雪崩二极管的死时间效应分析

单光子雪崩二极管是一种采用盖革模式的单光子探测器件。一旦触发后探测器需要一段时间来重启,重启之后才能进行下一个光子事件的探测。重启所用时间(也叫死时间)的大小会影响探测器的光子计数分布。对单光子雪崩二极管的工作方式进行了数学建模,研究死时间对探测器输出响应的影响,推导出了在入射光子数服从泊松分布情况下探测器光子计数值的概率分布函数,并采用蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明死时间会使探测器输出的光子计数值减小,其分布会更加集中,并且死时间越大,入射光子速率越高,这种效应就越明显。     

红外InGaAs/InP单光子探测器暗计数的研究

在开发探测器灵敏度极限实现单光子探测时,暗计数是影响探测效率的主要原因.本文分析了在红外波段采用InGaAs/InP雪崩光电二极管工作于雪崩击穿电压之上(盖革模式),进行单光子探测时暗计数的三个主要来源,指出隧穿效应对暗计数的贡献是很小的,并且针对热噪声和后脉冲分析了减小暗计数的有效方法.     

近红外单光子探测

随着以单个光子作为信息载体的量子通信和量子加密技术的兴起,近红外单光子探测技术受到了广泛关注.近红外单光子探测系统具有极高的灵敏度,所以它还可以胜任探测其它近红外波段微弱光信号的任务.半导体雪崩光电二极管是当前最成熟的近红外单光子探测系统的核心元器件;文章阐明了雪崩光电二极管的暗电流和击穿电压对单光子探测的影响,同时还讨论了工作温度、直流偏置、门信号性质和计数阈值等系统参数之间相互制约的关系.     

InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式

针对InGaAs单光子雪崩光电二极管(SPAD)的光电感应特性,研究了基于门控主动式淬灭的SPAD动态偏置控制和电路实现的策略.采用门控主动淬灭控制可降低淬灭时间,有效抑制暗计数和后脉冲效应.接口感应检测电路采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行制造,而SPAD则采用非标准CMOS工艺.利用铟柱互连混合封装工艺实现SPAD与感应接口电路的协同工作.在低温-30?C的条件下,实现了SPAD光触发雪崩电流信号的提取和快速淬灭.研究了感应电阻和临界检测电压对传感检测电性能的影响,并采用简单电路结构实现状态检测,实测得到的SPAD恢复时间、传输延时分别为575,563 ps,淬灭时间为1.88 ns,满足纳秒级精度传感检测应用的需要.     

Single-Photon Detection at Telecom Wavelengths

A single-photon detector based on an InGaAs avalanche photodiode has been developed for use at telecom wavelengths. A suitable delay and sampling gate modulation circuit are used to prevent positive and negative transient pulses from influencing the detection of true photon induced avalanches. A monostable trigger circuit eliminates the influence of avalanche peak jitter, and a dead time modulation feedback control circuit decreases the afterpulsing. From performance tests we lind that at the optimum operation point, the quantum efficiency is 12% and the dark count rate 1.5 × 10^-6 ns^-1, with a detection rate of 500 kHz.     

1.5 microm photon-counting optical time-domain reflectometry with a single-photon detector based on upconversion in a periodically poled lithium niobate waveguide

Optical time-domain reflectometry (OTDR) is one of the most powerful tools in the characterization of optical fiber links. We demonstrate a photon-counting OTDR system at 1.5 microm with a single-photon detector, which combines frequency upconversion in a periodically poled lithium niobate waveguide and a silicon avalanche photodiode. The system exhibits high sensitivity, good spatial resolution, and short measurement time.     

单光子探测器雪崩光电二极管的低温控制系统及其温度特性

根据单光子探测系统的要求及其特点,采用半导体制冷技术,研制出了用于单光子探测的雪崩光电二极管(APD)的水循环散热制冷腔。通过配备测量精度为0.1℃的温控仪,降低了APD的工作环境温度。通过实验探讨了APD的温度特性,得到了APD的雪崩电压、暗电流、光电流、等效噪声功率与温度的关系。结果表明:降低APD的工作温度有利于减小APD的等效噪声功率,APD存在最佳工作温度。     

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.     

3D photon counting imaging at 1550 nm with 1.5-GHz sine-wave-gated InGaAs/InP GAPD

We demonstrated a 3D laser imaging system at 1550 nm with a 1.5-GHz sine-wave gated Geiger-mode InGaAs/InP avalanche photodiode (APD). An optical fiber bundle with 100 individual fiber outputs was implemented at the focal plane of the telescope, providing a 2.5-mrad imaging view. The system used single-pixel near-infrared single-photon detector to measure photons at fiber outputs instead of a photon counting array. The 1.5-GHz gated Geiger-mode InGaAs/InP APD with a timing jitter of 290 ps was operated in quasi-continuous mode with detection efficiency of ∼4.3%. We achieved higher than 6-cm surface-to-surface resolution at single-photon level, showing a potential of low-energy and eye-safe laser imaging system for long-distance measurements.     

Absolute self-calibration of the quantum efficiency of single-photon detectors

Single-photon detectors are finding increasingly wide application in all branches of science and technology thus a precise knowledge of their quantum efficiency is an essential prerequisite. We have performed the first proof-of-principle demonstration of a means to determine the quantum efficiency by which no second detector or reference standard is required. This absolute self-calibration method is based on the time correlation of entangled photons pairs emitted in spontaneous parametric down conversion. The measured quantum efficiency of a Si avalanche photodiode single-photon detector agrees well with the product specifications.     

Single-photon detector for long-distance fiber-optic quantum key distribution

We have investigated the performance of an InGaAs/InP avalanche photodiode for photon counting at 1550 nm in the temperature range of thermoelectric cooling. A quantum efficiency of 13.7% was obtained at -55 degrees C , while the dark-count probability per gate (?1 ns) was kept as small as 2.4x10(-5) . The developed single-photon detector would yield a 104.4-km fiber-optic quantum key distribution in the ideal condition.     

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。