單光子探測器及其發(fā)展應(yīng)用

1、單光子探測器及其發(fā)展應(yīng)用全立梅單光子探測器的發(fā)展現(xiàn)狀:過去的幾年內(nèi)，量子信息技術(shù)得到了飛速的發(fā) 展,并且已經(jīng)成為物理學(xué)和信息學(xué)界關(guān)注的焦 點(diǎn)。在這項技術(shù)中，單光子探測又是關(guān)鍵中的單光子探測技術(shù)在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng) 等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于單光子探測器 在富技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，它已經(jīng)成為各發(fā) 達(dá)竄家光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。單光子探測器的原理+DC單光子信號JUDioBiasTeeAP D的輸出信號Differential comparatorPD / 180尖峰信號P

2、ulse GeneratorI* DCHJ00CFdICounterP ramp lifi er Disc ri rri nator二極管的輸出信號：尖峰信號圖2單光子探測器電路組成框圖（一）、紅外波段單光子探測器及其在 量子通信領(lǐng)域中的應(yīng)用（二）可門控單光子探測器在天文觀測 中的應(yīng)用（一）、紅外波段單光子探測器及 其在量子通信領(lǐng)域中的應(yīng)用目前，單光子探測器在通信波段的應(yīng)用中，量子密鑰 分發(fā)技術(shù)（QKD）可能是最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。現(xiàn)階段廣為使用的通信系統(tǒng)，原則上都可以被竊聽， 存在安全隱患。量子保密通信技術(shù)通過單一光子或糾 纏光子來傳送信息，有其絕對安全性。當(dāng)信源與信宿之間用單光子傳輸信息時，

3、實(shí)際上是降 低信道損耗，但是光子的波段必須在通信波段附近， 而且為了實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)，探測器需要有較高 探測效率和較低的暗計數(shù)率，這就意味著在這樣的通 信系統(tǒng)中需要用InGaAs/lnP APD或SSPD作為單光 子探測器件。InGaAs/InPAPD 與SSPD 作為單光子探測器在量子通信中的應(yīng)用在QKD系統(tǒng)中兩個重要參數(shù)：原始密鑰分發(fā)率心“和量子比特誤碼率(QBER): 原始密鑰分發(fā)率：RfawR/aw det frep“表示每一個脈沖中平均包含的光子數(shù) T表示光子能在光纖中傳輸?shù)母怕剩?訃 表示光子能被接收的概率， 繆 表示探測器的探測效率，Jrep表示重復(fù)頻率量子比特誤碼率：（QB

4、ER）JQBER = QBERR opt + QBERRQBERR det = P（lc /（2馬c + “兀厶"det）QBERR opt是系統(tǒng)中由于光學(xué)差異而產(chǎn)生的誤碼率QBERR血 是由探測器的暗計數(shù)而產(chǎn)生的誤碼率表示光子能在光纖中傳輸?shù)母怕始t外波段單光子探測器的現(xiàn)狀與展以后需要解決的冋題：最突岀的是如何提咼 探測器的光子探測效率，降低暗技術(shù)率，提 高重復(fù)頻率。解決的辦法：可以從新材料的選擇，器件結(jié) 構(gòu)設(shè)計，抑制電路參數(shù)優(yōu)化，集成化與小型 化等方面。不僅僅用在量子通訊技術(shù)上，它還是高分辨 光時域反射計(OTDR)的核心，而且在紅 外光譜等方面也可以找到廣泛應(yīng)用。（二）可門控單光

5、子探測器在 天文觀測中的應(yīng)用月球激光測距（LLR）代表了單光子探測技術(shù) 的高峰，是國際激光測距界奮斗的目標(biāo)。天文觀測中常常遇到極微弱光信號的探測問 題，望遠(yuǎn)鏡接收到的光信號僅有很少的光子 數(shù)甚至單光子，需要在噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信 息的不利情況下識別岀有用的信號。受益于 當(dāng)代高科技的迅速發(fā)展，人們得以采用多種 手段不斷提高信號分離和探測能力。目前月球激光測距技術(shù)所面臨 的最大問題：_J"地月間距離的遙遠(yuǎn)（約為380000km,再加上種種原 因，地面測站接收到的從月面激光皮射器反射而回的 激光光子數(shù)太少，已經(jīng)達(dá)到亞單光子探測的程度。探月運(yùn)載飛行器的激光測距，雖然測程小于地月距離, 但又受到

6、其他條件限制，如運(yùn)載飛行器初軌的確定、 運(yùn)載飛行器上激光后向反射器的大小與分布、天空背 景對白天測距的影響等，所以對中國探月激光測距而 言，其難度是不言而喻的。對于遠(yuǎn)距離衛(wèi)星可收到數(shù)個至數(shù)百個光電子的回波， 而月球反射的回波還不到一個光子。面對如此微弱的 回波信號必須采用高靈敏度的可門控探測器。如致冷 的單光子雪崩二極管（C-SPAD）或微通道板增強(qiáng)型光 電倍增管（MCP-PTM）。事買上，即便如此，信號 依然淹沒在噪聲中，只有采取了門控措施才能實(shí)現(xiàn)信 號的分離?？砷T控單光子探側(cè)器工作框圖8葩加圖2000年5月14日用MCP測Lageos2衛(wèi)星（數(shù)據(jù)處理界面）STFDe:L2051413.ob

7、fNuoib：lM3Tlmn 心N:1524RMS: 00019S8901DMAk:1485,04417R601WEFUc：804.0 22.019.0 H.O圖2000年7月1日用SPAD測Lageos2衛(wèi)星（數(shù)據(jù)處理界面）我國進(jìn)行月球激光測距的意義眾所周知，月球上資源豐富，是人類未來資源和能源 的“寶庫”。聯(lián)合國月球條約規(guī)定，月球不屬于任何 國家，但允許各國開發(fā)利用，因此“誰先利用，誰先獲 益”。21世紀(jì)人類探月的總目標(biāo)是建立月球基地，開 發(fā)利用資源、能源和特殊環(huán)境，為人類社會的可持續(xù) 發(fā)展提供長期穩(wěn)定的支持。我國進(jìn)行LLR對于探測 月球和進(jìn)行深空探測將有著重要意義。實(shí)現(xiàn)中國探月所放置激光反射器月面坐