单光子探测器及其发展应用综述
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单光子探测器的原理
APD的输出Байду номын сангаас号
{尖峰信号
单光子信号
二极管的输出信号: 尖峰信号
图2 单光子探测器电路组成框图
单光子探测器的应用
(一)、红外波段单光子探测器及其在 量子通信领域中的应用 (二)可门控单光子探测器在天文观测 中的应用
(一)、红外波段单光子探测器及 其在量子通信领域中的应用
单光子探测器 及其发展应用
------全立梅
单光子探测器的发展现状:
过去的几年内,量子信息技术得到了飞速的发 展,并且已经成为物理学和信息学界关注的焦 点。在这项技术中,单光子探测又是关键中的 关键。 单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非 破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、 大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、 天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统 等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器 在高技术领域的重要地位,它已经成为各发 达国家光电子学界重点研究的课题之一。
Rraw
det
TL TR
f rep
量子比特误码率:(QBER)
QBER QBERR opt QBERR det
QBERR det P dc /(2P dc TLTRdet )
QBERR opt
是系统中由于光学差异而产生的误码率 是由探测器的暗计数而产生的误码率 表示光子能在光纤中传输的概率
目前,单光子探测器在通信波段的应用中,量子密钥 分发技术(QKD)可能是最受关注的领域之一。 现阶段广为使用的通信系统,原则上都可以被窃听, 存在安全隐患。量子保密通信技术通过单一光子或纠 缠光子来传送信息,有其绝对安全性。 当信源与信宿之间用单光子传输信息时,实际上是降 低信道损耗,但是光子的波段必须在通信波段附近, 而且为了实现量子密钥分发技术,探测器需要有较高 探测效率和较低的暗计数率,这就意味着在这样的通 信系统中需要用InGaAs/InP APD 或SSPD 作为单光 子探测器件。
InGaAs/InP APD 与SSPD 作为单 光子探测器在量子通信中的应用
在QKD系统中两个重要参数: 原始密钥分发率 Rraw和量子比特误码率(QBER) :
原始密钥分发率:
Rraw TLTRdet f rep
表示每一个脉冲中平均包含的光子数 表示光子能在光纤中传输的概率, 表示光子能被接收的概率, 表示探测器的探测效率, 表示重复频率
QBERR det
TL
红外波段单光子探测器的现状与展望
以后需要解决的问题:最突出的是如何提高 探测器的光子探测效率,降低暗技术率,提 高重复频率。 解决的办法:可以从新材料的选择,器件结 构设计,抑制电路参数优化,集成化与小型 化等方面。 不仅仅用在量子通讯技术上,它还是高分辨 光时域反射计(OTDR)的核心,而且在红 外光谱等方面也可以找到广泛应用。
(二)可门控单光子探测器在 天文观测中的应用
月球激光测距 (LLR)代表了单光子探测技术 的高峰 ,是国际激光测距界奋斗的目标。 天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问 题,望远镜接收到的光信号仅有很少的光子 数甚至单光子,需要在噪声远远大于有用信 息的不利情况下识别出有用的信号。受益于 当代高科技的迅速发展,人们得以采用多种 手段不断提高信号分离和探测能力。
目前月球激光测距技术所面临 的最大问题:
地月间距离的遥远(约为380000km) , 再加上种种原 因, 地面测站接收到的从月面激光反射器反射而回的 激光光子数太少, 已经达到亚单光子探测的程度。 探月运载飞行器的激光测距, 虽然测程小于地月距离, 但又受到其他条件限制, 如运载飞行器初轨的确定、 运载飞行器上激光后向反射器的大小与分布、天空背 景对白天测距的影响等, 所以对中国探月激光测距而 言, 其难度是不言而喻的。 对于远距离卫星可收到数个至数百个光电子的回波, 而月球反射的回波还不到一个光子。面对如此微弱的 回波信号必须采用高灵敏度的可门控探测器。如致冷 的单光子雪崩二极管(C-SPAD)或微通道板增强型光 电倍增管(MCP-PTM)。事实上,即便如此,信号 依然淹没在噪声中,只有采取了门控措施才能实现信 号的分离。
可门控单光子探侧器工作框图
图 2000年5月14日用MCP测 Lageos2卫星(数据处理界面)
图 2000年7月1日用SPAD测 Lageos2卫星(数据处理界面)
我国进行月球激光测距的意义
众所周知, 月球上资源丰富, 是人类未来资源和能源 的“宝库”。联合国月球条约规定, 月球不属于任何 国家, 但允许各国开发利用, 因此“谁先利用, 谁先获 益”。21 世纪人类探月的总目标是建立月球基地, 开 发利用资源、能源和特殊环境, 为人类社会的可持续 发展提供长期稳定的支持。我国进行LLR 对于探测 月球和进行深空探测将有着重要意义 。
实现中国探月所放置激光反射器月面坐标的确定和探 月运载飞行器的激光测距, 在学术上有很高的显示度 和代表度, 也是中国探月工程的需要, 它将为一系列 的科学研究提供数据, 同时推动我国光电探测技术的 发展, 使中国的激光测距进入世界先进行列, 其现实 意义非常重要。