（光学专业论文）红外单光子探测器的研制.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 单光子探测作为一项重要的微弱信号检测技术，在物理学、天文学、化学、 生物学、医学等学科内众多领域均有着十分广泛的应用。近些年，随着量子力学 和信息科学的发展，诞生了一门新的学科分支一量子信息科学。量子信息科学已 经成为物理学和信息学界关注的焦点。在这门学科中，单光子探测技术同样起着 非常重要的作用。 目前，量子信息科学的研究中大量采用单光子作为量子信息的载体，因此单 光子探测技术起着至关重要的作用。单光子探测器可以检测携带量子信息的单光 子，并转换为电信号输出，然后通过符合测量、计数等手段提取单光子所携带的 量子信息。因此，为满足其需求，单光予探测器应该具有较高的探测效率和较低 的暗计数率，并且性能稳定。 随着人们对红外通信波段( 8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ) 量子通信技术、量子 密码术研究的不断深入，对该波段单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。2 0 世纪9 0 年代，国外已经利用硅雪崩光电二极管开发出了适用于4 0 0 一1 0 0 0 n m 波段的 商用单光子探测器。近些年，各国对1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 涸z 段单光子探测器的研究也 日渐成熟。目前在这两个波段一般选用铟镓砷( i n g a a s i n p ) 雪崩光电二极管 ( a p d ) ，由于制造工艺等问题，专门针对单光子探测的i n g a h s i n pa p d 还不是 很成熟，一般都是利用现有针对光纤通信的商用a p d ，通过改变工作环境，优化 外围驱动电路，使其达到单光子探测的目的。 本文的主要内容是关于通信波段红外单光子探测器的研究和制作，包含以下 几个方面的内容： i 介绍了实现红外单光子探测的各种方法及其物理原理，特别是在通信波 段，实用的单光子探测方法主要是使用i n g a h s i n p 雪崩光电二极管作为光敏感 元件，使其工作在盖革模式下，利用其自身的“自持雪崩”来进行单光子检测， 增益倍数可达到1 0 6 以上；本文重点讨论了i n g a a s i n pa p d 的结构、工作方式 以及在单光子检测中要克服的主要困难和要解决的关键技术问题；接着，对目前 国际上研制的、专门用于单光子检测的雪崩光电二极管进行了介绍；并分析了基 中国科学技术大学博士学位论文 于i n g a a s i n pa p d 的i n g a a s i n p 单光子探测器的主要结构和性能指标。 2 建立了一套基于f a j i s t ui n g a a s i n pa p d 的红外单光子探测系统，该系 统利用混合魔t 网络抑制由雪崩光电二极管的结电容产生的尖峰噪声，成功的探 测到了1 5 5 0 h m 单光子脉冲。系统的探测效率与暗计数率均随着雪崩光电二极管 上的偏置电压的变化而变化，我们得到的暗计数率与探测效率比值的最小值约为 0 0 3 5 。 3 建立了一套基于j d s ui n g a a s i n pa p d 的红外单光子探测系统，该系统 利用两根长度相等的同轴电缆抑制尖蜂噪声。由于j d s u 雪崩光电二极管的性能 远好于f u j i s t u ，我们得到的该系统的性能参数也远好于前一套系统。当系统的 探测效率为1 0 时，暗计数率小于5 1 0 5 。在此基础上，我们研制出了可实用 化的红外单光子探测器，该红外单光予探测器操作简单，性能稳定，可直接应用 于各种量子密钥分配系统中。 4 提出了双a p d 串联抑制尖峰噪声的方法。该方法与同类抑制尖峰噪声方 法的根本区别在于：该方法使用了极性相反的门脉冲电压，因此两条线路上产生 的尖峰噪声极性相反，可利用线路本身抑制；而其它方法使用的门脉冲电压极性 相同，产生的尖峰噪声极性也相同，因此必须用其它的元器件进行抑制。而加入 的这些元器件，都毫无疑问的会对a p d 输出的雪崩信号产生影响，如增加电路的 噪声或对雪崩信号产生衰减，这些都会增加雪崩信号的提取难度。因此，理论上 双a p d 串联抑制尖峰噪声的方法提取a p d 雪崩信号的效果最好。我们利用该方法 建立了一套红外单光子探测系统。使用的仍然是j o s ui n g a a s i n pa p d ，得到当 系统的探测效率为1 0 时，暗计数率最小可达到3 x1 0 。 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t a sa l l i m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rd e t e c t i n gw e a kl i g h t ，s i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n t e c h n i q u ei sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sp h y s i c s ，a s t r o n o m y , c h e m i s t r y , b i o l o g ya n dm e d i c i n e r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fq u a n t u mm e c h a n i c sa n d i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，i ti sp r o d u c e dan e ws u b j e c t ：q u a n t u mi n f o r m a t i o n q u a n t u m i n f o r m a t i o nh a sb e e naf o c u si np h y s i c sa n di n f o r m a t i o ns c i e n c e a l s o ，s i n g l ep h o t o n d e t e c t i o nt e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n ti nq u a n t u mi n f o r m a t i o n i nq u a n t u mi n f o r m a t i o n ，i ti su s u a l l yu s e ds i n g l ep h o t o n st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o n s i n g l ep h o t o nd e t e c t o r sc a nd e t e c tt h e s ep h o t o n s , a n dt h e ne x t r a c ti n f o r m a t i o no n t h e s ep h o t o n sb ys o m em e t h n & s u c ha sc o i n c i d e n c em e a s u r e m e n ta n dc o u n t t o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fq u a n t u mi n f o r m a t i o n ，t h es i n g l ep h o t o nd e t e c t o r ss h o u l d h a v es t a b l ep e d o m m c e , h i 【g hd e t e c t i o ne f f i c i e n c i e sa n dl o wd a r kc o u n tr a t e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o na n dq u a n t u mc r y p t o g r a p h yo n t e l e c o mw a v e l e n g t h s ( i n c l u d i n g8 5 0n m 1 3 1 0i ma n d1 5 5 0n m ) ，s i n g l ep h o t o n d e t e c t o r sf o rt e l e c o mw a v e l e n g t h sa r ea c t i v ed e m a n d i n19 9 0 s ，c o m m e r c i a ls i n g l e p h o t o nd e t e c t o r sf o r4 0 0 1 0 0 0 衄w e r ep r o d u c e d r e c e n t l y , r e s e a r c ho ns i n g l e p h o t o nd e t e c t o r sf o r1 3 1 0a n d1 5 5 0 姗h a sb e e nm a d eg o o dp r o g r e s si n i n g a a s i n p a v a l a n c h ep h o t o d i o d e s ( a p d s ) a r ea l w a y su s e dt od e t e c t1 3 1 0a n d1 5 5 0n mp h o t o n s s i n c et h el i m i t so ft h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , s p e c i a la p d sf o rs i n g l ep h o t o n d e l e t i o na r cn o tm a t u r e n o wi ti su s u a l l yu s e dc o m m e r c i a la p d sf o rt e l e c o m c o m m u n i c a t i o nt od e t e c ts i n g l ep h o t o n s i nt h i sw a y , i ts h o u l dc h a n g et h ea p d s o p e r a t i n gm o d ea n dd e s i g ns p e c i a lc i r c u i t sf o rt h e s ea p d s t or e a l i z es i n g l ep h o t o n d e t e c t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h er e s e a r c ho ni n f r a r e ds i n g l ep h o t o n d e t o b - q o r s w ec a nd r a wt h eo u t l i n eo f t h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： 1 w eh a v ei n t r o d u c e ds o m em e t h o d sa n dt h e i rp r i n c i p l e st od e t e c ti n f i - a r e d s i n g l ep h o t o n s o nt h et e l e c o mw a v e l e n g t h s ，m o s to f t h es i n g l ep h o t o nd e t e c t o r s 黜 b a s e do ni n g a a s i n pa p d s w h e nt h e s ea p d sa r eu s e df o rs i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n , i t 中国科学技术大学博士学位论文 s h o u l db eo p e r a t e di nas o - c a l l e dg e i g e rm o d e u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h ea p d sw i l l g e n e r a t eas e l f - a v a l a n c h e ，a n dt h eg a i nc a nr e a c ha b o v e1 0 0 w eh a v ed i s c u s s e dt h e s e a p d ss t l u c t u r e sa n do p e r a t i n gm o d e s i ns i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n ，s o m ei m p o r t a n t t e c h n i q u e sa n dp r o b l e m ss h o u l db es o l v e d a l s ow eh a v ei n 仃o d u c e dt h es i n g l ep h o t o n a v a l a n c h ep h o t o d i o d e sa n dt h em a i ns t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ei n g a a s i n p s i n g l ep h o t o nd e t e c t o r s 2 w eh a v ee s t a b l i s h e da ni n f r a r e ds i n g l ep h o t o nd e t e c t i n gs y s t e mb y u s i n g f u j i s t ui n g a a s i n pa p d s i nt h i ss y s t e m ，am a g i c - tn e t w o r ki su s e dt oc a n c e lt h e s p i k e sn o i s e ，w h i c hi sg e n e r a t e db yt h ea p d sc a p a c i t a n c e t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c y a n dd a r kc o u n tr a t eo f t h i ss y s t e ma r eb o t hi n c r e a s e dw i t ht h ea p d sb i a sv o l t a g e w e g o tt h a tt h em i n i mv a l u eo ft h er a t i oo ft h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yt ot h ed a r kc o u n tr a t e i sa b o u t0 0 3 5 3 w eh a v ee s t a b l i s h e da ni n f r a r e ds i n g l ep h o t o nd e t e c t i n gs y s t e mb yu s i n g j d s ui n g a a s i n pa p d s i nt h i ss y s t e mw eu s e dt w oc o a x i a lc a b l e sw i t ht h es a r n e l e n g t ht oc a n c e lt h es p i k e sn o i s e s i n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ej d s ua p d si sb e t t e r t h a nt h a to ft h ef u j i s t ua p d s ，w eo b t a i n e db e t t e rr e s u l t si nt h i ss y s t e m t h ed a r k c o u n tr a t ep e rp u l s ei sl e s st h a n5 x 1 0 5w h e nt h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yi sa b o u t1 0 b a s e do nt h i ss y s t e m ，w ep r o d u c e dap r a e t i e a ls i n g l ep h o t o nd e t e c t o rf o rq u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o n t h i ss i n g l ep h o t o nd e t e c t o rh a ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n di ti sv e r ys i m p l e t oo p e r a t ei t 4 w eh a v ep r o p o s e dam e t h o do f t w oa p d si ns e r i e st oc a n c e lt h es p i k e sn o i s e t h i sm e t h o du s e st w og a t ev o l t a g e sw i t ho p p o s i t ep o l a r i t i e s s ot h es p i k e so f t h et w o a p d sa r eo p p o s i t ea n da r ec a n c e l e db yt h ec i r c u i ti t s e l fi nt h eo t h e rs i m i l a rm e t h o d s ， t w og a t ev o l t a g e sw i t hs a l n ep o l a r i t i e sa r eu s e da n di tm u s th a v es o m ee l e m e n t so r d e v i c e st oc a n c e lt h es p i k e sw i t hs a m ep o l a r i t i e s a c t u a l l y , t h e s ee l e m e n t so rd e v i c e s w i l la t t e n u a t et h ea v a l a n c h es i g n a l sa n dt h e nd e c r e a s et h es i g n a lt on o i s er a t i o s ot h e m e t h o do f t w oa p d si ns e r i e si sb e t t e rt h a no t h e rs i m i l a rm e t h o d si nt h e o r y b a s e do n t h i sm e t h o d ，w e , e s t a b l i s h e da ni n f r a r e ds i n g l ep h o t o nd e t e c t i n gs y s t e m i nt h i ss y s t e m , j d s ua p d sa r cu s e dt od e t e c ts i n g l ep h o t o n s w h e nt h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h i s s y s t e mi sa b o u tl o t h ed a r kc o u n tr a t ei sl e s st h a n3 x 1 0 i x 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：壹1 查 沙7 年牛月刁日 中国科学技术大学博士学位论文 致谢 在论文完成之际，我向我的导师郭光灿院士和韩正甫教授表示衷心的感谢。 没有两位老师的指导，本论文是不可能完成的。郭老师渊博的学识，敏锐的物理 思维、灵活的科研方法都给我留下了深刻的印象。同时，郭老师严谨、求实的治 学态度也是我学习的榜样。我要特别感谢韩正甫教授多年来对我的指导。韩老师 深厚的专业知识、精益求精的工作态度和丰富的阅历都令我钦佩不已。在学术上， 他是一位严厉的老师，有时甚至是不留情面的，而在生活中他又是一位风趣和热 心的朋友。我在读研期间的每一点研究收获都与他的精心指导密不可分，本论文 的每一部分也都倾注了他的大量心血。 我要感谢量子信息实验室的每一位老师对我的指导和帮助，他们渊博的学 识、踏实的工作态度是非常值得我学习的。感谢实验室的每一位工作人员，他们 严格的管理和周到的服务使我能够在一个健康积极的环境中学习和研究。 我的很多工作都离不开戴逸民教授的悉心指导和吴青林同学的密切合作，戴 老师的敬业和奉献精神令我感动不已；而吴青林同学丰富的实验经验常能使我工 作上遇到的问题迎刃而解。在此我向他们表示诚挚的感谢。此外，我要感谢量子 密码实验小组的全体人员，莫小范、苗二龙、陈巍、周政、杨勇、肖云峰、温浩、 张涛、许方星、赵义博、银振强，他们在工作中提供了大量的帮助，和他们相处 的日子是充实而快乐的。我还要感谢我的同窗孙方稳和很多亲爱的朋友，我们之 间的友谊是我大学生活中最宝贵的收获之一 借此机会我对养育我多年的父母表示深深的感谢。他们勤劳质朴的作风永远 是我做人的榜样，他们对我学业上的支持、鼓励和关怀是我顺利完成学业的动力。 最后，我还要感谢我的妻子和其家人。不论在工作中还是在生活中他们都给 予了我周到的关怀和照顾，特别是当我遇到挫折时，他们的安慰和鼓励馒我能从 容的面对挫折，克服困难。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 单光子探测技术作为一项重要的微弱信号检测技术，在物理学、天文学、化 学、生物学、医学等学科均有着十分广泛的应用。以单光子探测为基础发展起来 的时间相关单光子计数技术( t i m e - c o r r e l a t e ds i n g l ep h o t o nc o u n t i n g ，简称 t c s p c ) ，在荧光寿命和荧光光谱学( f l u o r e s c e n c el i f e t i m ea n df l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y ) ，扩散光层析技术( d i f f u s eo p t i c a lt o m o g r a p h y ) ，激光扫描显 微镜( l a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p y ) ，时间分辨的单分子光谱学( t i m e - r e s o l v e d s i n g l em o l e c u l es p e c t r o s c o p y ) ，遥感( r e m o t es e n s i n g ) ，激光测距( l a s e r r a n g i n g ) ，光时域反射仪( o p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t r y ，简称o t d r ) 等众多领域已成为一项基本的检测技术。近些年，随着量子力学和信息科学的发 展，人们发现，量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保 信息安全、增大信息容量和提高探测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极 限，于是便诞生了一门新的学科分支一量子信息科学。它包括：量子密码、量子 通信、量子计算和量子测量等。量子信息科学已经成为物理学和信息学界关注的 焦点。在这门学科中，单光子探测技术起着非常重要的作用。 1 i 时间相关单光子计数技术 1 1 1 1 时间相关单光子计数技术原理 时间相关单光子计数技术( t c s p c ) 是在1 9 6 1 年为检测被射线激发的闪烁体 的发光脉冲图形而建立的 2 。目前它己被广泛的用于各种持续时间十分短暂的 微弱光信号检测。该技术的基本原理如图1 1 所示。 探测信号一般是具有高重复率的光信号。其光强很小，以至于在一个信号周 期内探测到一个光子的几率远小于l 。这样，在很多信号探测周期内是没有光子 的，在少量的信号周期内含有一个光子脉冲，含有多个光子脉冲的信号探测周期 非常稀少。当探测到一个光子后，记录下该信号周期的时闯信息并使用存储器采 集。当探测到大量光子后，就可以得出光子的探测时间分布，即光脉冲的波形 中国科学技术大学博士学位论文 t c s p c 探测光脉冲具有非常高的时间分辨率。单光子脉冲到达的时间可以很 精确地测量。单光子计数的带宽是由光脉冲在探测器内的渡越时间离散( t r a n s i t t i m es p r e a d ，t r s ) 限制，而不是由单光子脉冲的脉冲宽度限制( 即单电子响应， s e r ) 。t t s 通常比s e r 小一个数量级。因此，t c s p c 具有比任何模拟探测技术更 高的时间分辨能力。 图1 ，l ：时间相关单光子计数原理 图1 2 ：时间相关单光子计数装置图 t c s p c 中探测器通常使用光电倍增管。由于探测器内的随机放大机制，探测 器的输出脉冲有相当大的幅度抖动，因此需要使用恒比甄别器( c f d ) 对信号进 行甄别，以避免脉冲高度导致的时间抖动。另外一个恒比甄别器是用来从光源处 获得时间基准的。这个参考信号通常由光电二极管或光电倍增管产生。两个c f d 的输出，分别用作时幅转换器的开启和停止信号。时幅转换器的输出信号幅度正 2 中国科学技术太学博士学位论文 比于开启和停止信号之间的时间间隔。时幅转换器的输出信号经放大器放大后送 入模数转换器。模数转换器输出的结果就等价于光子的探测时间。 圃匦墅 岖孽 面匦函函匦知圆圆圆圆 匦薹固函臣薹口匦蓝固d 蛰臣壹叫 中国科学技术大学博七学位论文 图1 3 是t c s p c 法测量荧光寿命的装置示意图。光源经激发单色仪色散后选 择出一定波长的激发光，样品被单色光激发后发出荧光，并经发射单色仪选择要 观察的荧光波长，荧光信号由光电倍增管( p m t ) 接收，严格控制每次脉冲激发 后只接收一个发光光子信号( 但不同光子到达p m t 的时间不同) ，p m t 的信号经 前置放大器( p a ) ，再经恒比甄别器( c f d ) 甄别、整形产生一个标准的荧光脉 冲，用它作为起始信号触发时幅转换器( t a c ) 产生斜波电压v ( t ) ，另一路光探 测器直接接收激发光脉冲信号，作为时钟信号零时间使t a c 停止，这样，t a c 的 输出信号幅度正比于这两路脉冲信号间的时间间隔。将t c 的输出信号送入多道 分析器m c a 中分道计数，经过长时间的数据累计，在m c a 中得出几率分布p ( t ) 曲线，该曲线相当于在选择某一波长时荧光强度相对于时间的衰减曲线i ( t ) 。 选择一定的光谱区域内测得多条p ( t ) 曲线的集合就称为该波段内的三维时间分 辨光谱。 实际测定中，必须调节样品的荧光强度，确保每次激发后最多只有一个荧光 光子到达终止光电倍增管。假若一次激发引起的是多个荧光光予信号，则最先到 达光电倍增管的( 寿命短的) 光子引起时幅转换器开启，而长寿命的光子不被检测， 这样实际得到的荧光衰减曲线将向短寿命一方偏移，这种现象被称之为“堆积” 效应( p i l e u pe f f e c t ) 8 。为了避免堆积效应，实际测定时，多道分析器存储的 光予数大致只有光源脉冲数的1 。也就是说，光源1 0 0 次脉冲，大约只有1 次所 引发的荧光被检测。 利用t c s p c 法测荧光寿命的实验装置稍做改变即可进行时间分辨光谱测试。 用单道分析器s c a 代替多道分析器m c a ( 图1 3 ) ，设定相对激发脉冲延迟后的 时间窗口，即仅落在时间窗口内的事件才被s c a 记录，通过发射单色仪或多色仪， 可以获得相对于激发脉冲不同延迟时刻的发射谱，即时间分辨的荧光光谱。 1 1 2 - 2 激光测距 根据所发射激光状态的不同，激光测距分为脉冲激光测距和连续波激光测 距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。 脉冲激光测距的工作原理，是通过测定脉冲光在测线上往返传输所花费的时 间t ，然后按照公式l = c t 2 求出距离值l 。该公式中c 是光速。 4 中国科学技术大学博士学位论文 目前，脉冲激光测距已获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导 弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。早先，脉冲激光测 距的主要不利因素是需要从探测目标处返回足够强的信号以保证精确的距离测 量。解决该问题的常用方法是使用昂贵且笨重的高功率激光器或者在目标处放置 反射球面。后来，人们使用具有单光子灵敏度和皮秒时间精度的t c s p c 技术检测 返回信号 9 ，使得测量距离的极限和精度大大增加。而且由于可以使用较低功 率的半导体激光器，整个测试系统的复杂度也大大降低。 图1 4 是使用t c s p c 进行激光测距的典型装置示意图。 s w x b - p h t u a v a b 肿i ，d l d l m j ， $ u r f 蚺 图1 4 ：t c s p c 法激光测距的装置示意图 激光器发出的脉冲光通过反射透射比为2 ：9 8 的镜子，反射光被光探测器 ( t r i g g e rd e t e c t o r ) 接收，该探测器的输出信号作为起始信号触发时幅转换器 t a c ：透射光到达目的地后，被目的地反射或散射的光沿原路返回，然后被单光 子探测器( s p a d ) 接收。单光子探测器的输出信号作为t a c 的停止信号。这样， 通过测量t a c 的输出就可以得到透射光从本地到达目的地的时间，从而得到距 离。 1 1 2 - 3 光时域反射仪( o t d r ) 光时域反射仪c o t d r ) 是基于测量光背向散射信号的实用化测量仪器，它利 用光的瑞利散射与菲涅耳反射原理来测试光纤的特性 o t d r 测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在o t o r 端口接收返回的信息来 进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯 曲或其它类似的事件而产生散射，反射。其中一部分的散射和反射就会返回到 5 中唇科学技术大学博士学位论文 o t d r 中。返回的有用信息由o t d r 的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置 上的时间或曲线片断。利用o t d r 可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量， 它能连续显示整个光纤线路的损耗相对距离的变化。因此，o t d r 已经成为光纤 研究、生产、敷设、维护整个产业中应用最广、拥有量最大的仪器，在整个光通 信产业中占有重要地位。 o t d r 可利用光的瑞利散射来测试光纤的衰减损耗特性。瑞利散射是由于光 信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。o t d r 就测量回到o t d r 端口的一部分散 射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减( 损耗距离) 程度。形 成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小，这是由于经过 一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。给定了光纤参数后，瑞利 散射的功率就可以标明出来，如果波长已知，它就与信号的脉冲宽度成比例：脉 冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关， 波长较短则功率较强。也就是说用1 3 1 0 n m 信号产生的轨迹会比1 5 5 0 n m 信号所产 生的轨迹的瑞利背向散射要高。 另一方面，o t d r 可利用光的菲涅耳反射来定位光纤连接点、光纤终端或断 点。菲涅耳反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是 由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙，在这些点上，会有很 强的背向散射光被反射回来。此时，若假定入射光垂直于反射面，而反射面又是 清晰的跃变界面时，则反射光的功率和入射光的功率之比，可由下述菲涅耳方程 给出 五= 名，圪= ( n - 1 ) 2 “行+ 1 ) 2 ( 1 1 ) 其中，疗= n 2 是传输媒质折射率n 2 和反射媒质折射率n l 之比，如果以位于空 气中的玻璃光纤端面为例时，那么玻璃的折射率为n 2 = 1 5 ，而空气的折射率。 n 1 = 1 0 代入式1 1 则有r = o 0 4 ，这就意味着从光纤末端反射回来的光功率近似 为入射光功率的4 。 o t d r 主要的性能参数包括动态范围、盲区、分辨率、精度等。o t d r 的动态 范围主要由o t d r 所使用的激光器和光探测器决定，激光器的功率越大，光探测 器的灵敏度越高，则o t d r 的动态范围越大，可测量的光纤距离越长。而单光子 计数技术的应用，可使光探测器的灵敏度提高约1 0 5 数量级，因此，应用单光子 6 中国科学技术大学博士学位论文 计数技术可大大提高o t d r 的动态范围 1 0 3 。 1 2 量子信息 1 2 1 量子计算 量子计算的概念始于2 0 世纪7 0 年代，美国i b m 公司的b e n n e t 提出了可逆 计算的概念，1 9 8 2 年费曼提出了量子计算机的概念，1 9 8 5 年牛津大学的d e u t s c h 提出了量子图灵机 1 1 - 1 4 。 在经典计算机中，最基本的计算单元是比特( 经典比特) ，而在量子计算机 中则是量子态( 量子比特) 。每个经典比特只能代表0 和1 两个逻辑态中的一个， 而量子比特可以是0 和1 的叠加态。n 个经典比特只能表示2 “个状态中的某一 个，而n 个量予比特可以同时表示2 ”个状态。而且随着n 的增加，量子比特携 带信息的能力将指数上升。量子计算机在实施一次运算中可以同时对n 个量子比 特迸行操作，其效果相当于经典计算机要重复实施2 n 次操作。因此，量子计算 机的计算速度会比经典计算机有显著的提高。 为开拓量子计算机巨大的计算能力，必须寻找适用于这种量子计算的有效算 法。1 9 9 4 年s h o t 提出了用于大数因子分解的量子算法e 1 5 。大数因子分解是现 在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系r s a 安全性的依据。采用经典 计算机对数n ( - - 进制长度为 o g n ) 做因子分解，其运算时间随输入长度( 1 0 9 n ) 指数增长。迄今在实验上被分解的最大数为1 7 4 位。若用同样计算功能来分解 2 5 0 位的数则要用8 0 万年，而对于1 0 0 0 位的数，则要用1 0 2 5 年。而同样时钟频 率的量子计算机采用s h o t 算法可以在几分之一秒内实现1 0 0 0 位数的因子分解， 而且操作时间仅随输入数的3 次方增长。1 9 9 6 年g r o v e r 提出了量子搜索算法 1 6 。从包含n 个样本的数据库中搜索一个特定的样本，使用经典算法需要执行 n 2 次操作，而采用g r o v e r 算法则只需要次。显然，g r o v e r 算法可以用来 破译d e s 密码系统。这个问题的实质是从2 5 6 个可能的密钥中寻找一个正确的密 钥。采用经典计算机实现这样的功能需要执行2 5 5 * 3 6 1 0 拍次操作，而采用 量子计算机则只需执行2 2 。一2 7 x1 0 8 次操作。 s h o t 和g r o v e r 的工作颠覆了人们对传统密码系统的安全性估计，有力地刺 7 中国科学技术大学博士学位论文 激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程碑之 一 1 2 2 量子密码 s h o r 和g r o v e r 算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译现有的密钥 体系。这就对现有保密通信提出了严峻挑战，如何才能绝对安全的通信? 解决这 个问题的有效方案就是量子密码技术。 1 9 1 7 年，v e r n a m 提出了“一次一密”的密码系统 1 7 ，1 8 。在一次一密中， 明文与密钥进行比特异或得到密文，密文再与密钥进行比特异或就恢复出了明 文。一次一密对密钥有着严格的要求：1 ) 密钥长度必须和明文长度相同：2 ) 密 钥必须是随机数；3 ) 密钥不能外泄，不能重复使用。如果密钥满足上述三个要 求，那么一次一密是绝对安全的 1 9 。到目前为止，一次一密是唯一一个被证明 具有无条件安全性的密码系统。 虽然一次一密提供了可靠的加密保证，但由于通信双方必须交换大量的密 钥，在实际使用时存在如何产生、分发、存储和管理密钥的问题。这些环节中的 任何一个出现漏洞，都会影响到一次一密的安全性。随着科学的发展，研究人员 找到了一种利用量子力学原理实现密钥安全交换的新方法，即“量子密钥分配” ( q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n ，q k d ) 2 0 。量子密钥分配为一次一密的密钥交 换问题提供了一种理想的解决方案，两者的组合就构成了所谓的“量子密码” ( q u a n t u mc r y p t o g r a p h y ) 2 1 ，这种新的密码系统能够在量子计算机时代提供 安全可靠的加密保证。 1 2 3 单光子探测技术在量子信息中的作用 目前量子信息的研究中，大量采用单光子作为量子信息的载体，因此单光子 探测技术起着至关重要的作用。单光子探测器的作用就是探测携带量子信息的单 光子，并转换为电信号输出，然后通过符合测量、计数等手段提取其量子信息或 实现量子密钥分配等通信任务。在量子信息的实验中，要求单光子探测器具有较 高的探测效率和较低的暗计数，并且性能稳定。 例如，在量子密钥分配的实验中，只有当单光子探测器探测到单光子信号后， 8 中置科学技术大学博士学位论文 密钥的发射方和接收方才能通过一定的方法建立密钥，因此，单光子探测器的探 铡效率直接决定了双方建立密钥的速度：另外，单光子探测器的暗计数率则会影 响误码率和量子密钥分配的距离。 1 3 单光子探测技术研究现状 传统上，进行单光子探测的主要器件是光电倍增管和雪崩光电二极管( a p d ) 。 光电倍增管是利用外光电效应进行光探测的产品。对于紫外和可见光，光电倍增 管具有很好的响应度、极高的时间分辨率和很小的暗电流，非常适合该波段的单 光子探测。但是它对波长超过1 微米的光的探测效率很低( 小于1 ) ，这使得它 在红外测量领域几乎没有实用价值。雪崩光电二极管是利用内光电效应进行光探 测的产品。现在比较成熟的硅雪崩光电二极管( s i a p o ) 作为单光予探测的核心 器件，在4 0 0 n m 至9 0 0 h m 波段具有很好的性能，成品的暗计数小于2 5 c p s ，同时量 子效率可达到7 0 。但是硅材料的带隙宽度决定了它对波长超过1 微米的光不响 应。 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码 术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段( 8 5 0 n m 、1 3 1 0 册和1 5 5 0 册) 单 光予探测器的研究也就显得尤为迫切。2 0 世纪9 0 年代，国外已经有公司利用硅雪 崩光电二极管开发出了可在8 5 0 n m l 作的商用单光子探测器。近些年，各国对 1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 波段单光子探测器的研究也日渐成熟。目前在这两个波段一般选 用铟镓砷雪崩光电二极管( i n g a a s - a p d ) ，由于制造工艺的问题，专门针对单光 子探测的i n g a a s - a p d 还不是很成熟，般都是利用现有针对光纤通信的商用a p d ， 通过优化外围驱动电路，改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。 单光子探测领域的研究已经取得了很大的成就，但这还是不能够满足人们对 高科技领域探索的需求。人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究，一方面， 研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器，另一方面，研究和改迸探测器的外 围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。 9 中国科学技术大学博士学位论文 参考文献： 【1 】1 w b e c k e r a d v a n c e dt i m e - c o r r e l a t e ds i n g l ep h o t o nc o u n t i n gt e c h n i q u e s s p i n g e r , 2 0 0 5 2 】l m b o l l i n g e r , c e t h o m a s ，r e v s c i n s t r u m ，3 2 ( 9 ) ，1 0 4 4 ( 1 9 6 1 ) 【3 】m k o h l ，j n e u k a m m e r , u s u k o w s k ie ta 1 i m a g i n go ft u m o r sb yt i m e - d e l a y e d l a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c e s p i e ，1 9 9 1 ，1 5 2 5 ：2 6 - 3