空间量子通信硅雪崩光电二极管单光子探测器技术研究
发布时间：2021-12-31 18:45
在过去二十多年里,单光子探测器作为重要的关键器件广泛应用于空间应用,如激光测距、激光时间传输、空间辐照探测器、基本粒子的闪烁探测以及深空光通信等。由于空间的高真空、高辐照环境,对在轨探测器的可靠性、抗辐照性提出了很高的要求,特别是对于一些噪声敏感的应用,如空间量子隐形传态、基于量子纠缠的空间量子密钥分发等。目前常用的单光子探测器主要有光电倍增管单光子探测器、APD（雪崩光电二极管,Avalanche PhotoDiode）单光子探测器、上转换单光子探测器以及超导纳米线单光子探测器这几种。相比光电倍增管单光子探测器较低的探测效率（在800nm附近探测效率只有10%左右）、上转换单光子探测器复杂的光电系统以及超导纳米线单光子探测器笨重复杂的制冷设备,暗计数低、探测效率高（在800nm附近探测效率可达60%左右）、便宜、结构紧凑的硅APD单光子探测器更适合于空间应用。在空间辐照环境中,硅APD单光子探测器的暗计数会由于辐照损伤而持续增加,目前世界上已报道的在轨最好硅APD单光子探测器的暗计数增长速率约50cps/天,无法满足空间量子通信对单光子探测器暗计数的要求。随着光纤的和地面自由空间量子...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＰＭＴ和不同材料ＡＰＤ在不同波长的量子效率［１７］??
?ＳＮＳＨ）在１５５０ｎｍ附近探测效率己经可以做到９０％以上，而暗计数在１００?ｃｐｓ以下??［５０］。图１．２为目前世界多个研究小组的ＳＮＳＰＤ?（如ＳＩＭＩＴ［５０］、ＮＩＣＴＣ５１］、??ＮＩＳＴ?［５２］、ＵＧＡ?［５３］、ＮＪＵ［５４］、ＭＩＴ?［５５］等）、主流厂商的?ＭＰＴ?（如?ＭＰＤ?公司的?ＰＭＡ、??ＰＭＡｈｙｂｉｒｄ）以及ＡＰＤ?（如ＩＤＱ公司的基于硅ＡＰＤ的ＩＤ１２０、基于ＩｎＧａＡｓＡＲ）的??ＩＤ２３０）在各个不同波长的探测效率。ＰＭＴ在可见光波段探测效率可以达到４０％左??右，基于硅ＡＰＤ的探测器在近红外波段量子效率可以达到８０％左右（和ＳＮＳｒｏ相??当），而在近红外１５５０ｎｍ附近，基于ＩｎＧａＡｓ?ＡＨ）的探测器探测效率只有２５％左??右，而ＳＮＳＰＤ可以做到９０％以上，这正是ＳＮＳＰＤ的优势之一。虽然ＳＮＳＰＤ的具有??优异的性能，但是由于需要复杂、体积较大、超低真空的低温制冷设备，工作前??需要较长的预冷时间，限制了其在一些特殊场合的应用，如轨道空间环境等。??５３２?８５０?９４０?１０６４?１３１０?１５５０??１００－１?！?！￣￣！?！?！?！???＿?Ｉ?Ｉ?＿?＼ｉｔＨＴ?１?ＳＩＭＩＴ?＇ｍａｒｉｗｔｏ?？??９０－?Ｉ?Ｓｉ￥ｉｒ?ｌ?，？？００ＨＺ?？他ｍ?一?■??ｓｍＴ?，?ＩＤ１２０ＳＯＯ－ＳＯＯ?？３０ｆＨ／?＾?＾—?＞１?？
中的这些光电器件的性能最终决定了量子通信的性能，如密钥成码率、误码率以??及通信距离等，光电器件在量子通信系统中起着举足轻重的作用。另外一方面，??量子信息的发展反过来又极大地推动了单光子探测器技术的发展，图１．３显示??了同一时期量子信息、量子保密通信、单光子源以及单光子探测器每年发表的论??文数量，基本同比例增加。??１０００??，?，?，?，???Ｑｕａｉｕｕｍ?▲▲??ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ?▲▲?Ａ??▲??毳??▲?Ｑｕａｎｔｕｍ??ＱＪ?ＩＵＵ?－?肇參籲?Ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ??，?？?ｄｅｔｅｃｔｏｒ??ｃ／５?ｗｗｙ?■?■?Ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ??ｓｏｕｒｃｅ??＾?１０?－?ｆ?■?－??？?？?Ａ?■??１?？？？?？？？蠢鲁１?？?Ｍ?■?－Ｌ?—?—＿?－上?一??１９７０?１９９０?２０１０??Ｙｅａｒ??图１．３每年单光子探测器发表的论文数量［３］??不同类型单光子探测器在不同波长具有不同的性能，量子通信中波长的选择??主要由光纤窗口和大气窗口等因素决定
【参考文献】：
期刊论文
[1]Photon-counting chirped amplitude modulation lidar system using superconducting nanowire single-photon detector at 1550-nm wavelength[J]. 周慧,何宇昊,吕超林,尤立星,李召辉,吴光,张伟君,张露,刘晓宇,杨晓燕,王镇. Chinese Physics B. 2018(01)
本文编号：3560778
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＰＭＴ和不同材料ＡＰＤ在不同波长的量子效率［１７］??
?ＳＮＳＨ）在１５５０ｎｍ附近探测效率己经可以做到９０％以上，而暗计数在１００?ｃｐｓ以下??［５０］。图１．２为目前世界多个研究小组的ＳＮＳＰＤ?（如ＳＩＭＩＴ［５０］、ＮＩＣＴＣ５１］、??ＮＩＳＴ?［５２］、ＵＧＡ?［５３］、ＮＪＵ［５４］、ＭＩＴ?［５５］等）、主流厂商的?ＭＰＴ?（如?ＭＰＤ?公司的?ＰＭＡ、??ＰＭＡｈｙｂｉｒｄ）以及ＡＰＤ?（如ＩＤＱ公司的基于硅ＡＰＤ的ＩＤ１２０、基于ＩｎＧａＡｓＡＲ）的??ＩＤ２３０）在各个不同波长的探测效率。ＰＭＴ在可见光波段探测效率可以达到４０％左??右，基于硅ＡＰＤ的探测器在近红外波段量子效率可以达到８０％左右（和ＳＮＳｒｏ相??当），而在近红外１５５０ｎｍ附近，基于ＩｎＧａＡｓ?ＡＨ）的探测器探测效率只有２５％左??右，而ＳＮＳＰＤ可以做到９０％以上，这正是ＳＮＳＰＤ的优势之一。虽然ＳＮＳＰＤ的具有??优异的性能，但是由于需要复杂、体积较大、超低真空的低温制冷设备，工作前??需要较长的预冷时间，限制了其在一些特殊场合的应用，如轨道空间环境等。??５３２?８５０?９４０?１０６４?１３１０?１５５０??１００－１?！?！￣￣！?！?！?！???＿?Ｉ?Ｉ?＿?＼ｉｔＨＴ?１?ＳＩＭＩＴ?＇ｍａｒｉｗｔｏ?？??９０－?Ｉ?Ｓｉ￥ｉｒ?ｌ?，？？００ＨＺ?？他ｍ?一?■??ｓｍＴ?，?ＩＤ１２０ＳＯＯ－ＳＯＯ?？３０ｆＨ／?＾?＾—?＞１?？
中的这些光电器件的性能最终决定了量子通信的性能，如密钥成码率、误码率以??及通信距离等，光电器件在量子通信系统中起着举足轻重的作用。另外一方面，??量子信息的发展反过来又极大地推动了单光子探测器技术的发展，图１．３显示??了同一时期量子信息、量子保密通信、单光子源以及单光子探测器每年发表的论??文数量，基本同比例增加。??１０００??，?，?，?，???Ｑｕａｉｕｕｍ?▲▲??ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ?▲▲?Ａ??▲??毳??▲?Ｑｕａｎｔｕｍ??ＱＪ?ＩＵＵ?－?肇參籲?Ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ??，?？?ｄｅｔｅｃｔｏｒ??ｃ／５?ｗｗｙ?■?■?Ｓｉｎｇｌｅ?ｐｈｏｔｏｎ??ｓｏｕｒｃｅ??＾?１０?－?ｆ?■?－??？?？?Ａ?■??１?？？？?？？？蠢鲁１?？?Ｍ?■?－Ｌ?—?—＿?－上?一??１９７０?１９９０?２０１０??Ｙｅａｒ??图１．３每年单光子探测器发表的论文数量［３］??不同类型单光子探测器在不同波长具有不同的性能，量子通信中波长的选择??主要由光纤窗口和大气窗口等因素决定
【参考文献】：
期刊论文
[1]Photon-counting chirped amplitude modulation lidar system using superconducting nanowire single-photon detector at 1550-nm wavelength[J]. 周慧,何宇昊,吕超林,尤立星,李召辉,吴光,张伟君,张露,刘晓宇,杨晓燕,王镇. Chinese Physics B. 2018(01)
本文编号：3560778
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