超导纳米线单光子探测器背景暗计数的起源和抑制研究

The dark count rate (DCR) of superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) is one of the main factors for causing the quantum bit error rate (QBER) in quantum key distribution (QKD). SNSPD with a low DCR may further extend the communication distance of QKD while keeping a specific low QBER. The DCR of SNSPD is usually composed of two parts, namely, the intrinsic DCR and background DCR; the background DCR is mainly caused by room temperature blackbody radiation at low bias currents. In this project, the origin and suppression of the background DCR of SNSPD will be studied. The contribution of the blackbody radiation of room temperature fiber to the background DCR will be calculated and analyzed, by which the origin of background DCR of SNSPD will be clarified; based on the result of the successful suppression of the background DCR with the on-chip bandpass filter, a novel short pass optical filter fabricated on Si substrate and fiber end face respectively will be studied, by which the SNSPD background DCR will be suppressed further and the SNSPD with extremely low DCR will be achieved.

在量子密钥分发（QKD）中，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的暗计数率（DCR）是QKD误码率的决定因素之一。低暗计数的SNSPD能够在维持一定QKD误码率的情况下有效增加QKD的通信距离。SNSPD的暗计数由本征暗计数和背景暗计数组成，SNSPD在较低偏流工作条件下，暗计数主要由环境各种黑体辐射贡献。本项目拟对SNSPD背景暗计数的起源和抑制方法进行深入研究。计算和分析研究光纤等环境黑体辐射源对SNSPD背景暗计数的贡献，阐明背景暗计数的起源；在片上带通滤波器成功抑制背景暗计数方法基础上，发展短波通滤波器、光纤端面滤波器等新型光学滤波方法，进一步抑制背景辐射导致的暗计数，实现极低暗计数SNSPD。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)迅速发展的主要驱动力是迅速发展的量子信息领域特别是量子通信技术。量子通信技术使用单个光子进行编码和处理信息，其中量子密钥分发（QKD）是量子通信的核心技术。在QKD中，成码率与SNSPD的探测效率成正比。误码率指的是错误成码数与总成码数的比值，暗计数率和误码率成正比。在长距离通信中，由于光纤损耗与光纤距离成正比导致成码率会随着传输距离的增加而降低。因此，更低的暗计数率的SNSPD能够在维持一定成码率的情况下进一步扩展QKD的距离。.SNSPD的暗计数率（DCR）分为本征暗计数和背景暗计数两部分，而背景暗计数在低偏流下占比更大，且更易在系统级别进行降低。项目主要研究了SNSPD 背景暗计数的起源机理，在此基础上设计研究了新型光学薄膜滤波器，并研究了基于新型光学薄膜滤波技术的SNSPD性能，利用滤波器极大地降低了SNSPD的背景暗计数。.经研究发现，屏蔽杂散光时，SNSPD的背景暗计数主要来源于黑体辐射，而黑体辐射来源于温度大于60 K的器件周围物体，包括外部常温环境和常温部分光纤。外部常温环境辐射通过光纤端面进入并经光纤传输到低温部分，常温光纤辐射直接进入与之连接的低温光纤并传输到器件。.在器件衬底背面沉积光学薄膜滤波器，并对器件进行背面光耦合，将由黑体辐射引入的最大背景暗计数从20 Hz抑制到了0.4 Hz。在暗计数0.4 Hz，探测效率为52%时，滤波器器件的达到最低NEP为2.0*10^(-19 )W/Hz^1/2。.在光耦合的光纤端面沉积光学薄膜滤波器，并对器件进行正面光耦合，在器件探测效率为80%时，器件的暗计数降低了约13 dB，为0.5 Hz。使用滤波光纤耦合后，在探测效率和暗计数分别为73%和0.3 Hz时，器件达到的噪声等效功率NEP为1.6*10^(-19 )W/Hz^1/2。.本项目在明晰SNSPD背景暗计数起源的基础上，利用两种光学滤波器，在保持器件高探测效率的基础上，将器件的暗计数降低到极低的水平（<1Hz），达到了国际报道的最低水平。这将在QKD应用中极大地降低其误码率，进一步提高QKD技术的传输距离，为我国量子通信技术的发展做出极大的贡献。