高速高可靠低成本红外单光子探测器的研究

Single photon detection is the basement of future high-speed quantum secure communication system, and it is the most cucial device in quantum information technology. The infrared single photon detection is the focal point in the optic fiber quantum communication.But because the fiber has the natural loss of polarization model dispersion effect and the quality of quantum entanglement falls down with the transmission channel induced by environment.So the transmission reliability and speed and distance of optic fiber quantum communication are servely limited, and it need high performance single photon detection. Therefore,the project is mainly aimed at the target of infrared single photon detection technology to do research,we propose a new type parallel APD（Avalanche Photo Diode）structure detection method. It can resolve the contradiction between decreasing dead time /increasing counting rate and reducing after-pulse probability /reducing the ratio of the dark count. And on this basis we propose high speed GHz sine wave gate-control and low-pass filtering detection method to process high frequency weak signal, so the signal to noise ratio is improved. And as the same time, we propose to adopt a series of electronics detection methods to improve the detection sensitivity.And the self-adoptive electrical level adjustment method is proposed, the detection sensitivity and the reliability are improved.So high speed high performance high reliability low cost infrared single photon dection will be implemented.Its key performance index is the following: the sine wave gate-control signal frequency is 5GHz,and the detection efficiency is more than 10%,and the dark count is less than 10-7,and the counting frequecny is 1GHz,and it will meet the practical need of the future high-speed long distance metropolitan area optic fiber quantum communication system successfully.

单光子探测器是量子通信系统的重要组成部分，也是量子信息技术的关键器件之一。红外单光子探测器是光纤量子密码通信的研究重点，由于光纤存在极化模式色散效应的固有损耗以及传输信道受环境影响导致量子纠缠品质下降，光纤量子通信系统的传输可靠性、速度和传输距离受到严重限制，对单光子探测器提出更高要求。本项目主要针对上述问题研究高速高性能高可靠低成本的单光子探测器，提出一种新型的并行APD结构探测方法，解决死时间计数重复率与暗计数之间的矛盾，使用GHz门控正弦波信号低通滤波的专利技术，显著提高雪崩信号信噪比、探测器的探测速度和探测效率；提出一种自适应动态调整甄别电平的方法，提高探测器的检测灵敏度和可靠性；实现高速高性能高可靠低成本的红外单光子探测器，其关键技术指标为门控正弦波信号频率达5GHz、探测效率大于10%、暗计数率低于10-7、计数重复率达到1GHz，以满足未来高速远距离光纤量子通信系统的需求。

现代量子通信技术正在从高速光纤通信方式向星天地一体化全球覆盖方式发展，红外单光子探测器作为量子通信系统中的重要组成设备，需要超高精度地瞄准、捕获和探测，其性能指标需要进一步提高才能得到应用。目前量子信息技术中，最重要的是基础量子元器件、硬件系统及设备无关探测等，单光子探测器作为量子通信系统的关键器件之一，高速高可靠低成本是未来的发展趋势，需要进一步加强研究才能更好满足量子通信技术的需求。.本研究项目主要针对单光子探测器的探测效率、暗计数率和计数重复率等关键技术指标，研制出一种并行雪崩光电二极管阵列红外单光子探测系统，具有高速高可靠低成本等优点。该系统使用多个分立APD器件组成并行APD阵列结构将单光子信号转换成雪崩电信号，利用直流偏置电压电路使并行APD阵列工作于盖革模式，利用高速脉冲门控时序信号电路以及多通道光开关实现并行APD阵列的通道时序切换功能，解决了减小死时间提高计数重复率与降低后脉冲几率降低暗计数之间的矛盾，输出的雪崩电信号经过信号探测电路的低通滤波和宽带放大处理，本系统中还使用了脉冲门控低通滤波的信号处理方法，通过减小门控信号宽度、提高雪崩增益、抑制结电容微分效应产生的尖峰噪声等方法，提高了雪崩信号的信噪比，同时采用一系列优化的电子学检测方法，通过自适应动态调整甄别电平等方法，提高检测灵敏度，分析APD的最佳工作状态，通过减小死时间和降低后脉冲效应影响方法降低暗计数由信号模拟数字转换电路转换成数字信号，再由信号处理电路进行甄别探测和计数，最后输出各种类型的数字信号。并在此基础上完成了相关实验研究，测试结果表明，使用1.6GHz的脉冲门控信号频率进行测量，8通道的并行APD阵列结构的红外单光子探测系统的重复频率为1GHz，暗计数率为5.92×10-5，探测效率为10.0%。使用并行APD阵列结构的红外单光子探测系统可以大幅度减小死时间,有效克服后脉冲效应，提高单光子探测的工作频率和重复计数率，能满足未来百公里级以上的高速远距离光纤量子通信系统的需求。.在此基础上在光学精密工程核心期刊上发表了学术论文1篇，获得1项实用新型专利，申请了1项发明专利。