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)用第1頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二單光子探測器的發(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(xiàng)技術(shù)中,單光子探測又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。 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高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，它已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國家光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。 第2頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二單光子探測器的原理 圖2單光子探測

2、器電路組成框圖APD的輸出信號單光子信號尖峰信號二極管的輸出信號: 尖峰信號第3頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二單光子探測器的應(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（二）可門控單光子探測器在天文觀測中的應(yīng)用第4頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二（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

3、單光子傳輸信息時，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(jì)數(shù)率，這就意味著在這樣的通信系統(tǒng)中需要用InGaAs/InP APD 或SSPD 作為單光子探測器件。第5頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二InGaAs/InP APD 與SSPD 作為單光子探測器在量子通信中的應(yīng)用 原始密鑰分發(fā)率： 表示每一個脈沖中平均包含的光子數(shù) 表示光子能在光纖中傳輸?shù)母怕剩?表示光子能被接收的概率， 表示探測器的探測效率， 表示重復(fù)頻率 在QKD系統(tǒng)中兩個重要參數(shù)：原始密鑰分發(fā)率 和量子比特誤碼率（QBER）

4、 ：第6頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二量子比特誤碼率：（QBER） 是系統(tǒng)中由于光學(xué)差異而產(chǎn)生的誤碼率 是由探測器的暗計(jì)數(shù)而產(chǎn)生的誤碼率 表示光子能在光纖中傳輸?shù)母怕实?頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二 紅外波段單光子探測器的現(xiàn)狀與展望以后需要解決的問題：最突出的是如何提高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(jì)，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(jì)（OTDR）的核心，而且在紅外光譜等方面也可以找到廣泛應(yīng)用。第8頁，共14頁，2022年，

5、5月20日，2點(diǎn)12分，星期二（二）可門控單光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出有用的信號。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。 第9頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二目前月球激光測距技術(shù)所面臨的最大問題: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反射器反射而回的激光光子數(shù)太少,

6、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）。事實(shí)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。第10頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，

7、星期二 可門控單光子探側(cè)器工作框圖第11頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二圖 2000年5月14日用MCP測Lageos2衛(wèi)星（數(shù)據(jù)處理界面）第12頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二圖 2000年7月1日用SPAD測Lageos2衛(wèi)星（數(shù)據(jù)處理界面）第13頁，共14頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)12分，星期二我國進(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標(biāo)的確定和探月運(yùn)載飛行器的激光測距, 在學(xué)術(shù)上有很高的