【摘 要】
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平衡零差探测器是测量量子信息的重要技术手段,符合计数器则是测量若干个光子在时间尺度上发生符合事件的统计计数装置,这两个装置已被广泛应用于量子密钥分发,量子态层析和量子隐形传输等研究领域。如何提高这两个探测装置的性能指标,拓展其应用功能是量子光学领域中的重要课题。本文旨在设计并研制出一款超灵敏脉冲型时域平衡零差探测器和一款高速人机交互式符合计数器,研究内容主要包括探测原理分析,器件选型,硬件电路开发
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平衡零差探测器是测量量子信息的重要技术手段,符合计数器则是测量若干个光子在时间尺度上发生符合事件的统计计数装置,这两个装置已被广泛应用于量子密钥分发,量子态层析和量子隐形传输等研究领域。如何提高这两个探测装置的性能指标,拓展其应用功能是量子光学领域中的重要课题。本文旨在设计并研制出一款超灵敏脉冲型时域平衡零差探测器和一款高速人机交互式符合计数器,研究内容主要包括探测原理分析,器件选型,硬件电路开发,相应数据采集系统的设计和仪器功能的测试。两仪器研究初期的研究重点都需要考虑硬件电路开发;在后期,平衡零差探测器侧重于光电测试与调试,而符合计数器则侧重于场编程门控阵列内逻辑功能的实现。具体研究分别内容为:（1）从平衡零差探测机制出发,分析探测器中光电二极管的基本性能;采用弗雷歇距离比较法,挑选出两个响应曲线最相似的光电二极管,尽可能实现两个光电探测支路相互对称,为进一步提高探测器的共模抑制比提供了思路;再结合高速运算放大器,精密布局电路结构,降低电学噪声,最终研制出了一款超灵敏脉冲型时域平衡零差探测器;为便于数据采集,本文还基于MATLAB软件,开发出一套探测器数据采集方案。实验结果表明:该探测器带宽约为100MHz,在基频（76.6MHz）,二次谐波和三次谐波处的共模抑制比分别为55.99d B,48.03d B和44.32d B,优于大部分相关的商用平衡零差探测器;当光功率为2m W时,时域信噪比为14.32d B;在76.6MHz处,具备脉冲内正交分量分辨能力,正交分量关联系数为0.011,并且正交分量整体呈高斯分布,符合实验预期。（2）分析符合测量原理和传统符合方法,利用符合计数结果直接输出法,减轻处理器运行负荷;搭建高速符合计数器的硬件架构,并在硬件中实现多种控制功能,包括高精度宽带延迟,脉宽整形,符合计数等,其中延迟模块最小延迟精度约为30ps,粗延迟精度为5ns,延迟范围最大可达1280ns,并利用该高精度宽带延迟模块,开发了自动延迟扫描功能,提高了实验效率。本文还采取了通道编码方式,结合符合计数功能,开发了One-shot功能,可实现对任意通道之间符合情况的快速判断,该功能可应用于量子相位测量等实验。在上位机与符合计数器之间,设计了基于通用异步收发器（Asynchronous Receivers/Transmitters,UART）数据传输协议,搭建了数据收发模块,并研制相关的UART-USB mini通信电路,可达到轻量化数据传输的目的。此外,本文还利用MATLAB软件,开发了人机交互式软件,软件中的各个功能都对应了符合计数器底层中的功能模块,用户可直接在上位机中设置相关参数,即可控制符合计数器,整体软件易于操作且扩展性强。
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