高速单光子探测器与单光子探测器阵列

单光子探测的灵敏度达到了量子极限，在微弱光信号测量相关的前沿科学研究方面有重要应用价值。由于铟镓砷-雪崩光电二极管器件的局限，目前只有低速门模式近红外单光子探测器，严重限制了其在高速量子保密通信和光谱测量等领域的应用。本项目拟研制1GHz高速门模式单光子探测器和连续探测模式的单光子探测器，推进量子技术、量子态测控与单量子体系高灵敏光谱探测等前沿科学探索，针对空天光电灵敏探测等国家战略高技术的发展提供新途径。另外，雪崩光电二极管阵列的制备存在许多技术障碍，本项目拟通过光学集成方法，利用微透镜阵列和多模光纤耦合技术，高时间精度同步集成分立的单光子探测器，形成时间抖动低的单光子探测器阵列。项目拟基于该方案制备中小规模高性能的单光子探测器阵列，满足超远距离激光三维成像和激光制导等重大仪器装备研制的迫切需求。项目研究也将为精密和灵敏光谱、量子调控、单量子态测控等前沿科学研究提供实用化的仪器设备创新。

本项目的研究内容主要集中在高速单光子探测器与单光子探测器阵列及在激光测距方面的应用。主要包括以下几个方面：.1、高速门脉冲模式InGaAs APD 单光子探测技术。解决了减低单光子探测的时间抖动、降低方波偏置电压驱动时的滤波平衡的波形畸变等关键技术，特别发展了尖峰噪声平衡模块和方波偏置下低畸变滤波模块、可靠稳定地实现1GHz 时钟频率下的尖峰噪声抑制和雪崩脉冲放大和甄别。实现1GHz 高速门模式单光子探测器探测效率为10%时，后脉冲概率仅为3.0%，暗计数为6.1×10-6/gate，最高工作重复频率达到2 GHz，探测效率为10%时，后脉冲概率仅为5%。.2、连续探测模式的InGaAs APD 近红外单光子探测器。发展了快速恢复的InGaAs APD 的主动抑制电路模块以及雪崩信号甄别整形抑制后脉冲的新方法，降低后脉冲概率，提高探测效率，同时满足暗计数低，而且功耗小，实现连续探测模式的单光子探测器，探测效率为10%时，暗计数为10kcps，后脉冲概率为3%。.3、实现100通道单光子探测阵列。采用光学集成工艺和技术实现了100通道Si APD 单光子探测阵列，稳定高精度的光纤耦合技术，将入射到微透镜阵列面上的光耦合进100 根集束多模光纤，并且保持高耦合效率与各路耦合效率的一致性，减少光学耦合集成系统中各路时间漂移，实现研制了100通道单光子探测器，100通道探测器每通道探测效率平均为30%时，100通道暗计数平均160 cps，最小值为12 cps，后脉冲概率小于1%。.4、发展基于光子计数的激光测距技术。实现高时间分辨的光子关联测量仪等新仪器的研制，应用于光子计数激光测距。研制成低时间抖动的高速InGaAs APD单光子探测器，时间抖动在锁定模式下仅为60ps；利用高时间分辨的光子关联测量，实现远距离高精度激光测距。