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量子通信中单光子探测器的研制及相关问题的研究

韩宇宏  
【摘要】: 量子保密通信利用量子力学原理进行量子密钥分发(QKD),实现密钥的安全交换,为解决传统密码体制的密钥交换问题提供了理想的解决方案。1310nm、1550nm作为目前光纤通信中最小损耗波长,是量子通信的主要应用波段,但红外波段的光子信号十分微弱,探测困难。研制出稳定高效的红外波段单光子探测器具有十分重要的意义。 本文首先研究了各种量子密钥分发协议,讨论了量子保密通信的安全性及其关键技术,概述了国内外量子保密通信的最新实验进展。将单光子探测器的研制分为偏置电压、前置放大、雪崩信号提取、温度控制和数字控制电路五个模块。采用目前光通信长波段最理想的单光子探测器件InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD),详细设计了稳定的APD驱动电路,及无源抑制模式和有源门控模式下的偏置电压电路。测试结果表明,有源门控模式可以有效缩短死时间并提高计数率。APD输出的雪崩信号极其微弱,我们采用高精度宽带运放OP37实现了80-100倍的前置放大,并以精密比较器AD8561设计了窗鉴别器进行雪崩信号提取,有效滤除干扰,使探测灵敏度得到显著提高。由于温度是影响APD工作性能的重要因素,实验采用精密控制器MAX1978设计了APD热电制冷器,精确地控制APD的工作温度?并采用风冷系统进行二级散热,减小了温控部分的体积,更便于移动和维护。为了适应不同的APD及不同条件下的探测需求,以MCS-51系列单片机为核心器件,采用精密延时芯片DS1023系列设计了数字控制电路,通过机箱小键盘的按键输入,对工作参数及工作状态进行查询和设置,使该单光子探测器的适用性更为广泛。 最后本文还对单光子探测器的暗计数、后脉冲、门控脉冲宽度等性能指标进行了初步的讨论。研究表明,合理设置门控脉冲宽度能够有效减小各种因素带来的干扰,提高探测器的性能。单光子探测器作为微弱光检测设备,不仅在量子保密通信中十分重要,本文还介绍了其在空间科学、生物学、医学等领域的应用。


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