光子探测器及其发展应用.ppt

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 单光子探测器的原理 图2单光子探测器电路组成框图 APD的输出信号 单光子信号 尖峰信号 二极管的输出信号 尖峰信号 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 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 InPAPD或SSPD作为单光子探测器件 InGaAs InPAPD与SSPD作为单光子探测器在量子通信中的应用 原始密钥分发率 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 在QKD系统中两个重要参数 原始密钥分发率和量子比特误码率 QBER 量子比特误码率 QBER 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 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