高性能积分门控红外单光子探测器的研究

单光子探测器在量子密钥分发系统、高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。随着量子信息技术的兴起，特别是构建全国量子通信远程网络的重大计划启动之后，对于红外单光子探测器的市场需求将会急剧地增长。.我们提出了一种积分门控方案，完全消除了门控噪声，获得了很高的信噪比，并根据这一方案研制了全部单元模块自制的红外单光子探测器。在前期工作的基础上，我们提出了进一步的优化方案，这一方案以积分门控方案为核心，通过对雪崩光电二极管的特性研究，结合超短脉冲发生技术，自分束激光同步技术，高速积分放大技术，精密温度控制技术，高稳定度高压电源产生技术，预期实现探测效率30-40%，暗计数率在十的负六次方数量级的红外单光子探测器。这种单光子探测器同时还可以实现对致盲窃听攻击的检测，适用于量子保密通信系统。

单光子探测器在高新技术领域有着广泛的应用，我们提出了一种积分门控方案，完全消除了门控噪声，获得了很高的信噪比。在本项目的执行过程中，我们以积分门控方案为核心，通过对雪崩光电二极管的特性研究，结合积分双采样技术，超短脉冲发生技术，高速积分放大技术，精密温度控制技术，高稳定度高压电源产生技术，最终实现了自制的单光子探测器在1550nm波段，100KHz触发速率下的探测效率为31.70%，暗计数率为8.58E-6/ns，达到了国际先进水平。. 我们改进了积分门控模式单光子探测器的安全性，并检验了其在四种致盲方案（原始的连续致盲光方案，热致盲方案，凹陷孔径致盲方案，门脉冲后操控方案）作用下的实际安全性。测试结果表明，积分门控单光子探测器利用其自身特性，能够检测或防御上述四种方案的攻击。. 我们测试了国产APD在单光子探测方面的性能，利用积分门控方案的单光子探测器开发平台对中国电子科技集团公司第四十四研究所的APD样品的单光子探测特性进行了测试。最终性能结果为：在1550nm波段，100KHz触发速率下，暗计数率为8.92E-5/ns时，探测效率为10.52%。该测试结果表明国产的APD制成的单光子探测器能够接近国外id Quantique公司的早期商用产品id200的性能，可以满足一些要求不高的单光子探测应用。