单光子探测器及其发展应用

1、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 在富技术领域的重要地位，它已经成为各发 达竄家光电子学界重点研究的课题之一。单光子探测器的原理+DC单光子信号JUDioBiasTeeAP D的输出信号Differential comparatorPD / 180尖峰信号P

2、ulse GeneratorI* DCHJ00CFdICounterP ramp lifi er Disc ri rri nator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（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，

3、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/lnP APD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在QKD系统中两个重要参数：原始密钥分发率心“和量子比特误码率(QBER): 原始密钥分发率：RfawR/aw det frep“表示每一个脉冲中平均包含的光子数 T表示光子能在光纤中传输的概率， 讣 表示光子能被接收的概率， 缪 表示探测器的探测效率，Jrep表示重复频率量子比特误码率：（QB

4、ER）JQBER = QBERR opt + QBERRQBERR det = P（lc /（2马c + “兀厶"det）QBERR opt是系统中由于光学差异而产生的误码率QBERR血 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以后需要解决的冋题：最突岀的是如何提咼 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

5、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岀有用的信号。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：_J"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皮射器反射而回的 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

6、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）。事买上，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8葩加图2000年5月14日用MCP测Lageos2卫星（数据处理界面）STFDe:L2051413.ob

7、fNuoib：lM3Tlmn 心N:1524RMS: 00019S8901DMAk:1485,04417R601WEFUc：804.0 22.019.0 H.O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