高速InGaAs/InP APD光子数可分辨探测及其应用研究

The traditional single-photon detector can only distinguish between “yes” or “no” two photon states. With the development of quantum information, the capability of photon-number resolution is increasingly crucial to many applications, such as quantum computation, quantum communication, measurement and control of optical field quantum properties, and so on. With the characteristic of good detecting performance, easy integration and low power consumption, InGaAs/InP avalanche photodiode (APD) is one of the best choices for single-photon detection in the near infrared communication band. In general, InGaAs/InP APD works in the gated Geiger mode, leading it easily to reach gain saturation, and cannot achieve photon-number-resolving detection. Meanwhile, the effective avalanche signals are buried in the spike noise generated by the APD capacitive effect. With the increase of the working speed, the avalanche time is shortened, and the difficulty of extracting the avalanche signal is further increased. In addition, the timing jitter is also an important factor which affects high-speed photon-number-resolving detection. The purpose of this project is to realize InGaAs/InP APD based high-speed photon-number-resolving detection, develop the scheme of combining the frequency spectrum analysis and filtering balance, increase spike noise suppression ratio with reducing the timing jitter to achieve GHz photon number resolving detection, and expand its applications in high-speed random number generation, laser ranging and imaging and other fields.

传统的单光子探测器仅能区分“有”或“无”两种光子态，然而量子计算、量子通信、光场量子特性测控等应用要求其能够区分具体光子数目，即实现光子数可分辨探测。InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD），探测性能良好，易于集成且功耗低，是近红外通信波段光子检测的最佳选择之一。通常，InGaAs/InP APD工作在门控盖革模式，极易发生增益饱和，无法进行光子数可分辨探测。同时，因APD容性效应产生的尖峰噪声信号会将有效的光生雪崩信号湮没，随着工作速率的提高，雪崩时间缩短，进一步增大雪崩信号的提取难度。此外，时间抖动特性也是影响高速光子数可分辨探测的重要因素。本项目旨在实现基于InGaAs/InP APD的高速光子数可分辨探测，发展频谱分析及滤波平衡相结合等方案，增加尖峰噪声抑制比的同时减小时间抖动，实现GHz光子数可分辨探测，并拓展其在高速随机数产生、激光测距及成像等领域的应用。

近年来，随着量子信息科学的快速发展，单光子探测器也亟需发展与提高。传统的单光子探测器仅能区分“有”或“无”两种光子态，然而量子计算、量子通信、光场量子特性测控等应用要求单光子探测器能够区分具体光子数目，即实现光子数可分辨探测。InGaAs/InP APD作为通信波段半导体单光子器件，在系统集成上具有天然的优势，并被广泛地应用在QKD系统、深空探测及通信中。本项目旨在实现高速InGaAs/InP APD光子数可分辨探测，并探索其在激光测距及成像、光时域反射、量子随机数等领域的应用。.通常为了减小暗计数，InGaAs APD工作在门控模式下，由于APD的容性效应，会产生尖峰噪声将有效的光生雪崩信号湮没。我们探索多种噪声抑制方案，最终采用频谱滤波的方法，国内首次实现室温下超高速APD单光子探测，最大程度地发挥APD量子探测优势。在20 ℃下，工作速率为1.5GHz，探测效率为21%时，后脉冲概率仅为1.4%，性能指标与国际水平相当。此外，我们在国际上首次实现了大范围内工作重复频率连续可调的InGaAs/InP单光子探测器，可以满足量子保密通信、激光测距及成像、光时域反射仪等系统的应用。将等效电容平衡方案与低通滤波技术相结合，分别运用两种方案抑制尖峰噪声提取雪崩信号的原理，实现了在不改变任何电路元器件的情况下，单光子探测器工作重复频率从MHz量级到GHz量级的连续可调，并保持较好的探测性能，大大拓展了近红外单光子探测器的应用领域，为其商用化和产业化奠定基础。.最终，在高抑制比方案下，我们在国内首次实现了1 GHz单个 InGaAs/InP APD室温下光子数可分辨探测。经过理论计算和实际模拟，我们发现对于高速光子数可分辨探测而言，后脉冲引起的误计数对光子数分辨性能影响更大，最终通过低通滤波结合超短脉冲门控方案，实现了1GHz光子数可分辨探测，可具体分辨出 0、1、2、3个光子数。除了单个APD的光子数可分辨探测，我们也研究了多通道探测阵列，实现了四通道1.25GHz单光子探测阵列，并将其应用于高速随机数产生和激光测距，验证和拓展了高速光子数可分辨探测的应用。