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基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究

彭孝东  
【摘要】:随着高度信息化的到来,信息交换的安全性变得越来越重要,目前的保密通信使用的是经典密钥,窃听者可以复制或窃取经典密钥而不被发现,从严格意义上来讲并不是十分安全的。而量子保密通信体制的最大特点就是安全,其安全性是由量子力学的基本原理——测不准原理和单光子不可克隆原理所保证的,在量子密钥的分发过程中,任何窃听者都无法逃避合法用户的发现。目前量子保密通信的实验研究已飞速地向前发展,其研究内容主要包括单光子源、量子编码、量子信息的传输、单光子探测等方面的技术。其中近红外单光子探测技术是实现量子保密通信的关键问题之一。相对国外来说,国内在这量子保密通信方面的研究还是比较落后。 本论文的目的是基于商售雪崩光电二极管(APD,Avalanche Photodiodes)的特点,为设计出一种稳定、高效和低噪声单光子探测器系统做前期技术研究。文章介绍了量子密码术出现背景及其机理和国内外的研究近况,分析了单光子探测器的发展及其各自优缺点,阐述了单光子探测核心器件APD的特殊工作原理及其用于单光子探测的几种工作模式,着重分析了强衰减方法实现单光子脉冲的原理,并用光纤耦合分束器实现了单光子脉冲输出。在第三章中我们对整个单光子探测系统做了全面的设计,其中包括高效低纹波APD直流偏压源设计、温控仪及恒温腔设计、电缆形成超短脉冲的设计方法和单光子信号鉴别技术。第四章中,通过无源抑制方法实验比较了不同厂家提供的APD,分析了它们的温度、增益及噪声特性,最终确定了Epitaxx—APD具有良好雪崩增益特性,更适合做单光子探测器。我们就自行设计的探测系统进行了红外单光子的初步探测和分析。 实验结果表明:单光子探测器核心器件APD的各项性能参数都与环境温度、偏压稳定度、探测电路设计的优劣有着极大的关系。我们就半导体制冷技术提出了三种冷却方案,制作了可利用自然冷却、风扇冷却和水循环冷却的制冷腔;同时我们也制作了精度可达0.1℃的温控仪。采用集成芯片MAX5026的精密数控低纹波高压源不但大大降低了由电源带来的额外噪声,而且使探测器更易于集成化并且降低了成本,同时恒温腔采取自然冷却法使得探测器更加便利化。


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