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基于光平衡的单光子探测

简轶  
【摘要】:随着量子信息技术的兴起和超灵敏光谱学的快速发展,单光子探测技术作为其中的关键技术,成为了各国光电子学界重点研究的一项课题。本文介绍基于铟镓砷/锢磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的近红外单光子探测技术。由于InGaAs/InP APD的暗噪声较大,尤其是后脉冲效应严重,限制了该器件在“盖格模式”下的工作速率,影响了单光子探测性能。所以,InGaAs/InP APD通常工作在“门控盖格模式”模式。其中,如何从门脉冲引起的尖锋噪声中提取微弱的雪崩信号,成为InGaAs/InP APD单光子探测器的一项关键技术。 我们提出并实现了光自差分噪声抑制技术,通过一个高速分布反馈半导体(DFB)激光二极管,将来自InGaAs/InP APD的电信号转换成1550 nm的光信号,然后利用光纤信号处理技术,实现自差分探测,并最终实现高灵敏的雪崩信号检测,完成近红外单光子探测。得益于光自差分的精密调控优势,尖峰噪声得到了有效的抑制(抑制比达到31dB),从而能够测量微弱的雪崩信号。在此基础上,我们研究了亚饱和模式下的雪崩形成的特性,发现在雪崩电流饱和之前,雪崩电流与入射光子数成线性增长关系,证明单个InGaAs/InP APD具有光子数可分辨能力。我们分析了不同增益情况下的光子数可分辨特性,并且在时间尺度上,研究了探测器的光子数分辨特性。 另外,我们发展了基于多像素硅雪崩光电二极管(Si APD)阵列的光子数可分辨探测器(MPPC),并且利用MPPC,实现了基于光子数随机特性的量子真随机数发生器。


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