紅外單光子探測器的研制.pdf

1、單光子探測作為一項重要的微弱信號檢測技術，在物理學、天文學、化學、生物學、醫(yī)學等學科內眾多領域均有著十分廣泛的應用。近些年，隨著量子力學和信息科學的發(fā)展，誕生了一門新的學科分支一量子信息科學。量子信息科學已經成為物理學和信息學界關注的焦點。在這門學科中，單光子探測技術同樣起著非常重要的作用。 目前，量子信息科學的研究中大量采用單光子作為量子信息的載體，因此單光子探測技術起著至關重要的作用。單光子探測器可以檢測攜帶量子信息的單光子

2、，并轉換為電信號輸出，然后通過符合測量、計數(shù)等手段提取單光子所攜帶的量子信息。因此，為滿足其需求，單光子探測器應該具有較高的探測效率和較低的暗計數(shù)率，并且性能穩(wěn)定。 隨著人們對紅外通信波段(850nm、1310nm和11550nm)量子通信技術、量子密碼術研究的不斷深入，對該波段單光子探測器的研究也就顯得尤為迫切。20世紀90年代，國外已經利用硅雪崩光電二極管開發(fā)出于400-1000nm波段的商用單光子探測器。近些年，各國對13

3、10nm和1550nm波段單光子探測器的研究也日漸成熟。目前在這兩個波段一般選用銦鎵砷(InGaAs/InP)雪崩光電二極管(APD)，由于制造工藝等問題，專門針對單光子探測的InGaAs/InP APD還不是很成熟，一般都是利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用APD，通過改變工作環(huán)境，優(yōu)化外圍驅動電路，使其達到單光子探測的目的。 本文的主要內容是關于通信波段紅外單光子探測器的研究和制作，包含以下幾個方面的內容： 1.介紹了實現(xiàn)紅

4、外單光子探測的各種方法及其物理原理，特別是在通信波段，實用的單光子探測方法主要是使用InGaAs/InP雪崩光電二極管作為光敏感元件，使其工作在蓋革模式下，利用其自身的"自持雪崩"來進行單光子檢測，增益倍數(shù)可達到10<'6>以上；本文重點討論了InGaAs/InP APD的結構、工作方式以及在單光子檢測中要克服的主要困難和要解決的關鍵技術問題；接著，對目前國際上研制的、專門用于單光子檢測的雪崩光電二極管進行了介紹；并分析了基于InGaA

5、s/InP APD的InGaAs/InP單光子探測器的主要結構和性能指標。 2．建立了一套基于Fujistu InGaAs/InP APD的紅外單光子探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用混合魔T網絡抑制由雪崩光電二極管的結電容產生的尖峰噪聲，成功的探測到了1550nm單光子脈沖。系統(tǒng)的探測效率與暗計數(shù)率均隨著雪崩光電二極管上的偏置電壓的變化而變化，我們得到的暗計數(shù)率與探測效率比值的最小值約為0．035。 3．建立了一套基于JDSU In

6、GaAs/InP APD的紅外單光子探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩根長度相等的同軸電纜抑制尖峰噪聲。由于JDSU雪崩光電二極管的性能遠好于Fujistu，我們得到的該系統(tǒng)的性能參數(shù)也遠好于前一套系統(tǒng)。當系統(tǒng)的探測效率為10％時，暗計數(shù)率小于5×10<'-5>。在此基礎上，我們研制出了可實用化的紅外單光子探測器，該紅外單光子探測器操作簡單，性能穩(wěn)定，可直接應用于各種量子密鑰分配系統(tǒng)中。 4．提出了雙APD串聯(lián)抑制尖峰噪聲的方法。該方法與同

7、類抑制尖峰噪聲方法的根本區(qū)別在于：該方法使用了極性相反的門脈沖電壓，因此兩條線路上產生的尖峰噪聲極性相反，可利用線路本身抑制；而其它方法使用的門脈沖電壓極性相同，產生的尖峰噪聲極性也相同，因此必須用其它的元器件進行抑制。而加入的這些元器件，都毫無疑問的會對APD輸出的雪崩信號產生影響，如增加電路的噪聲或對雪崩信號產生衰減，這些都會增加雪崩信號的提取難度。因此，理論上雙APD串聯(lián)抑制尖峰噪聲的方法提取APD雪崩信號的效果最好。利用該方法建