半導體上轉換紅外單光子探測研究

《半導體上轉換紅外單光子探測研究》是依託上海交通大學，由張月蘅擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：半導體上轉換紅外單光子探測研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：張月蘅
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

單光子探測對於量子信息和量子通信等需求意義重大，是“單量子態檢測及相互作用”研究的基礎。1.3至1.55微米光纖通信波段是量子信息等套用的首選波段，而該波段尚缺乏可靠易用的高性能單光子探測手段。針對此問題，本項目提出半導體紅外上轉換單光子探測方案：通過半導體紅外探測器和發光二極體集成獲得紅外上轉換器件，將光纖通信波段紅外單光子轉換為1微米波長以下近紅外單光子，隨後利用Si單光子探測器探測。此方案有望獲得高探測效率、高最大計數率、低暗計數率、以及高工作溫度，具備重要的實際套用前景。項目將深入研究半導體材料和結構中紅外單光子吸收和單光生載流子輸運、複合特性，實現材料生長和器件製備的精確調控，最終研製一種性能優異、結構緊湊的紅外單光子探測方案。通過該項目，我們將深入研究紅外單光子的吸收、單電子空穴對激發、單載流子輸運和複合、單光子發射等關鍵科學問題，透徹理解單載流子層面的噪聲機制。

結題摘要

單光子探測對於量子信息和量子通信等需求意義重大，是“單量子態檢測及相互作用”研究的基礎。1.3 至1.55 微米光纖通信波段是量子信息等套用的首選波段，而該波段尚缺乏可靠易用的高性能單光子探測手段。針對此問題，本項目通過半導體紅外上轉換實現單光子探測，將光纖通信波段紅外單光子轉換為1 微米波長以下近紅外單光子，隨後利用Si 單光子探測器探測。首先針對微弱信號探測的InGaAs PIN探測器，以及在極弱電流驅動下的GaAs/AlGaAs LED通過理論進行了研究和最佳化，在此基礎上生長材料並製備了器件，獲得高性能的InGaAs PIN以及GaAs/AlGaAs LED分立器件。然後利用針對小片鍵合特別設計的鍵合夾具，實現了晶片鍵合，將探測器與發光二極體實現器件集成，集成後的上轉換器件可以獲得比較好的內量子效率及上轉換性能。利用該器件與Si SAPD的集成，我們成功地在室溫情況下實現了飛瓦級別功率的1.5微米波長光的探測，並且在熱電製冷條件下可以獲得更好的性能。成功驗證了基於半導體上轉換單光子的可行性。