红外单光子探测器的研究

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随着信息时代的到来,人们对通信保密的要求越来越高。现有的保密方式虽然已经比较安全,但是随着计算机技术的发展,其破译难度也越来越低。一种能够彻底防范第三者窃听的技术,已经越来越成为军事、外交、商贸等领域的迫切需要。量子保密通信是密码学和量子力学相结合的产物,它的安全性由量子力学基本原理-测不准原理和单量子态不可克隆定理所保证,因而越来越受到人们的重视。量子通信的关键技术之一就是红外(1310nm、1550nm)单光子探测技术。这是因为光量子密钥传输是采用单个光子来实现的,1310nm和1550nm波段是现在所使用的光纤通信中损耗最小的窗口,现有成熟的单光子探测器工作波长都是在可见光波段,而红外光子因为能量小,信号非常微弱,极易被噪声淹没,因而非常难探测到。因此实用的红外单光子探测器的研制成为量子保密通信的关键性问题。 在这方面的研究我们国内相对于国外来说还比较落后,为了实现在现行光纤通信波段的量子保密通信,本文对红外单光子探测进行了研究。 在本文第一章,我们介绍了量子保密通信的基本原理,以及现有的各种单光子探测器的基本原理和实现方法,并分析了这些方法各自的优缺点。 在第二章,我们主要介绍了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(InGaAs/InPAPD)的结构、物理原理和特性参数,以及APD的工作模式。 在第三章,我们分析了无源抑制的工作模式的特性,从而提出了电流抑制的工作模式。通过对电流抑制模式的工作特性进行分析,结果表明电流抑制模式可以很好的保护APD,并且输出信号没有附加的失真。这些特性使得电流抑制模式在APD的特性测量方面具有一定的优势。最后,我们采用ETX40APD,在-16.2℃初步实现了单光子的测量。 在第四章,我们首先介绍了传统门控模式下单光子探测器存在的电尖峰问题,以及国内外的解决方案,然后提出了积分门控模式的单光子探测方案,并通过了仿真和实验验证。不管门控脉冲的幅度,宽度,形状和对称性怎样变化,不需要人工的调整,积分门控电路就可以很好的消除困扰传统门控模式单光子探测器的电尖峰问题。消除了电尖峰噪声,我们可以采用较低的甄别电平,从而降低APD的偏置电压。因此,可以降低暗计数率而不会造成探测效率的下降。在1550nm的波长,我们采用积分门控模式单光子探测器在暗计数率为5.57×10-6/gate(1.11×10-6/ns)时,得到了29.9%的探测效率(DE)。 第五章,对博士期间的工作做了总结。
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