高速高可靠低成本紅外單光子探測器的研究

《高速高可靠低成本紅外單光子探測器的研究》是依託中國科學技術大學，由徐軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速高可靠低成本紅外單光子探測器的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐軍
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

單光子探測器是量子通信系統的重要組成部分，也是量子信息技術的關鍵器件之一。紅外單光子探測器是光纖量子密碼通信的研究重點，由於光纖存在極化模式色散效應的固有損耗以及傳輸信道受環境影響導致量子糾纏品質下降，光纖量子通信系統的傳輸可靠性、速度和傳輸距離受到嚴重限制，對單光子探測器提出更高要求。本項目主要針對上述問題研究高速高性能高可靠低成本的單光子探測器，提出一種新型的並行APD結構探測方法，解決死時間計數重複率與暗計數之間的矛盾，使用GHz門控正弦波信號低通濾波的專利技術，顯著提高雪崩信號信噪比、探測器的探測速度和探測效率；提出一種自適應動態調整甄別電平的方法，提高探測器的檢測靈敏度和可靠性；實現高速高性能高可靠低成本的紅外單光子探測器，其關鍵技術指標為門控正弦波信號頻率達5GHz、探測效率大於10%、暗計數率低於10-7、計數重複率達到1GHz，以滿足未來高速遠距離光纖量子通信系統的需求。

結題摘要

現代量子通信技術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展，紅外單光子探測器作為量子通信系統中的重要組成設備，需要超高精度地瞄準、捕獲和探測，其性能指標需要進一步提高才能得到套用。目前量子信息技術中，最重要的是基礎量子元器件、硬體系統及設備無關探測等，單光子探測器作為量子通信系統的關鍵器件之一，高速高可靠低成本是未來的發展趨勢，需要進一步加強研究才能更好滿足量子通信技術的需求。 本研究項目主要針對單光子探測器的探測效率、暗計數率和計數重複率等關鍵技術指標，研製出一種並行雪崩光電二極體陣列紅外單光子探測系統，具有高速高可靠低成本等優點。該系統使用多個分立APD器件組成並行APD陣列結構將單光子信號轉換成雪崩電信號，利用直流偏置電壓電路使並行APD陣列工作於蓋革模式，利用高速脈衝門控時序信號電路以及多通道光開關實現並行APD陣列的通道時序切換功能，解決了減小死時間提高計數重複率與降低後脈衝幾率降低暗計數之間的矛盾，輸出的雪崩電信號經過信號探測電路的低通濾波和寬頻放大處理，本系統中還使用了脈衝門控低通濾波的信號處理方法，通過減小門控信號寬度、提高雪崩增益、抑制結電容微分效應產生的尖峰噪聲等方法，提高了雪崩信號的信噪比，同時採用一系列最佳化的電子學檢測方法，通過自適應動態調整甄別電平等方法，提高檢測靈敏度，分析APD的最佳工作狀態，通過減小死時間和降低後脈衝效應影響方法降低暗計數由信號模擬數字轉換電路轉換成數位訊號，再由信號處理電路進行甄別探測和計數，最後輸出各種類型的數位訊號。並在此基礎上完成了相關實驗研究，測試結果表明，使用1.6GHz的脈衝門控信號頻率進行測量，8通道的並行APD陣列結構的紅外單光子探測系統的重複頻率為1GHz，暗計數率為5.92×10-5，探測效率為10.0%。使用並行APD陣列結構的紅外單光子探測系統可以大幅度減小死時間,有效克服後脈衝效應，提高單光子探測的工作頻率和重複計數率，能滿足未來百公里級以上的高速遠距離光纖量子通信系統的需求。 在此基礎上在光學精密工程核心期刊上發表了學術論文1篇，獲得1項實用新型專利，申請了1項發明專利。