單光子探測(cè)器光纖傳感

單光子探測(cè)器是量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，也是量子信息技術(shù)的關(guān)鍵器件之一。紅外單光子探測(cè)器是光纖量子密碼通信的研究重點(diǎn)，由于光纖存在極化模式色散效應(yīng)的固有損耗以及傳輸信道受環(huán)境影響導(dǎo)致量子糾纏品質(zhì)下降，光纖量子通信系統(tǒng)的傳輸可靠性、速度和傳輸距離受到嚴(yán)重限制，對(duì)單光子探測(cè)器提出更高要求。本項(xiàng)目主要針對(duì)上述問(wèn)題研究高速高性能高可靠低成本的單光子探測(cè)器，提出一種新型的并行APD結(jié)構(gòu)探測(cè)方法，解決死時(shí)間計(jì)數(shù)重復(fù)率與暗計(jì)數(shù)之間的矛盾，使用GHz門(mén)控正弦波信號(hào)低通濾波的專(zhuān)利技術(shù)，顯著提高雪崩信號(hào)信噪比、探測(cè)器的探測(cè)速度和探測(cè)效率；提出一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整甄別電平的方法，提高探測(cè)器的檢測(cè)靈敏度和可靠性；實(shí)現(xiàn)高速高性能高可靠低成本的紅外單光子探測(cè)器，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為門(mén)控正弦波信號(hào)頻率達(dá)5GHz、探測(cè)效率大于10%、暗計(jì)數(shù)率低于10-7、計(jì)數(shù)重復(fù)率達(dá)到1GHz，以滿(mǎn)足未來(lái)高速遠(yuǎn)距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。

現(xiàn)代量子通信技術(shù)正在從高速光纖通信方式向星天地一體化全球覆蓋方式發(fā)展，紅外單光子探測(cè)器作為量子通信系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，需要超高精度地瞄準(zhǔn)、捕獲和探測(cè)，其性能指標(biāo)需要進(jìn)一步提高才能得到應(yīng)用。目前量子信息技術(shù)中，最重要的是基礎(chǔ)量子元器件、硬件系統(tǒng)及設(shè)備無(wú)關(guān)探測(cè)等，單光子探測(cè)器作為量子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，高速高可靠低成本是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究才能更好滿(mǎn)足量子通信技術(shù)的需求。 本研究項(xiàng)目主要針對(duì)單光子探測(cè)器的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率和計(jì)數(shù)重復(fù)率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研制出一種并行雪崩光電二極管陣列紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)，具有高速高可靠低成本等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使用多個(gè)分立APD器件組成并行APD陣列結(jié)構(gòu)將單光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成雪崩電信號(hào)，利用直流偏置電壓電路使并行APD陣列工作于蓋革模式，利用高速脈沖門(mén)控時(shí)序信號(hào)電路以及多通道光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)并行APD陣列的通道時(shí)序切換功能，解決了減小死時(shí)間提高計(jì)數(shù)重復(fù)率與降低后脈沖幾率降低暗計(jì)數(shù)之間的矛盾，輸出的雪崩電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)探測(cè)電路的低通濾波和寬帶放大處理，本系統(tǒng)中還使用了脈沖門(mén)控低通濾波的信號(hào)處理方法，通過(guò)減小門(mén)控信號(hào)寬度、提高雪崩增益、抑制結(jié)電容微分效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰噪聲等方法，提高了雪崩信號(hào)的信噪比，同時(shí)采用一系列優(yōu)化的電子學(xué)檢測(cè)方法，通過(guò)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整甄別電平等方法，提高檢測(cè)靈敏度，分析APD的最佳工作狀態(tài)，通過(guò)減小死時(shí)間和降低后脈沖效應(yīng)影響方法降低暗計(jì)數(shù)由信號(hào)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由信號(hào)處理電路進(jìn)行甄別探測(cè)和計(jì)數(shù)，最后輸出各種類(lèi)型的數(shù)字信號(hào)。并在此基礎(chǔ)上完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果表明，使用1.6GHz的脈沖門(mén)控信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，8通道的并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)頻率為1GHz，暗計(jì)數(shù)率為5.92×10-5，探測(cè)效率為10.0%。使用并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)可以大幅度減小死時(shí)間,有效克服后脈沖效應(yīng)，提高單光子探測(cè)的工作頻率和重復(fù)計(jì)數(shù)率，能滿(mǎn)足未來(lái)百公里級(jí)以上的高速遠(yuǎn)距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。 在此基礎(chǔ)上在光學(xué)精密工程核心期刊上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文1篇，獲得1項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，申請(qǐng)了1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。 2100433B