【摘要】：超導納米線單光子探測器(SNSPD)作為一種新型單光子檢測器,兼具有靈敏度高、噪聲低和速度快等優(yōu)點,在空間激光通信領(lǐng)域已經(jīng)獲得最新的應(yīng)用,并取得了突破性的成果。本文系統(tǒng)介紹了 SNSPD的工作原理和發(fā)展過程,展示了其優(yōu)異的性能和發(fā)展?jié)撃?并詳細介紹了 SNSPD在深空激光通信的重要應(yīng)用實例—NASA激光通信演示實驗。在對傳統(tǒng)器件進行性能表征的基礎(chǔ)上,測試了特殊功能的器件:對于并聯(lián)電阻的光子數(shù)分辨器件,我們采集到了6種幅值的輸出脈沖波形,還觀察了計數(shù)器鑒別電平對計數(shù)率的影響,都證明了器件具有6光子分辨能力;對于使用高折射率材料Si制備的偏振不敏感器件,我們使用寬波段光源和偏振控制器,測得偏振態(tài)對器件效率的影響得到很大程度的抑制,在1550 nm處,平行極化時效率為61%,垂直極化時為56%,實驗結(jié)果和仿真結(jié)果能夠吻合。單光子條件下的激光通信不僅需要考慮傳輸環(huán)境的影響,還需要考慮實際單光子探測器性能和光子數(shù)量子態(tài)的分布。本文在不考慮大氣湍流影響的情況下,以光電探測模型為基礎(chǔ),引入超導納米線單光子探測器(SNSPD)系統(tǒng)探測效率和暗計數(shù),建立了反應(yīng)系統(tǒng)差錯性能的數(shù)學模型,提出了系統(tǒng)誤碼率的計算公式。對公式中的兩個因素,光強和激光脈沖重復頻率對誤碼率的影響進行仿真,再通過實驗結(jié)果驗證仿真模型。模擬激光通信光電探測的實驗結(jié)果表明,光強對誤碼率的影響最明顯,隨著光強從0.01光子/脈沖到1000光子/脈沖的增加,誤碼率從10-1到10-7量級明顯下降;激光脈沖重復頻率對誤碼率的影響受到不同光強的制約,但都隨著脈沖重復頻率的增加呈下降趨勢。與此同時,當增加光強或者提高速度時,誤碼率高于仿真結(jié)果,約在10-4量級,其原因可能是實際通信中調(diào)制光信號的消光比不足和光纖引入背景噪聲提高了系統(tǒng)暗計數(shù)。該模型和實驗結(jié)果,為進一步開展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定基礎(chǔ)。
[Abstract]:As a new type of single-photon detector, superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) has many advantages, such as high sensitivity, low noise and high speed. This paper systematically introduces the working principle and development process of SNSPD, shows its excellent performance and development potential, and introduces in detail the demonstration experiment of NASA laser communication, which is an important application example of SNSPD in deep space laser communication. On the basis of the performance characterization of the traditional devices, the special function devices are tested. For the photonic digital resolution devices with parallel resistance, we have acquired six kinds of output pulse waveforms with amplitude. The effect of counter discriminant level on the counting rate is also observed. It is proved that the device has a 6-photon resolution. For polarization-insensitive devices fabricated with high refractive index material Si, we use a wide band light source and a polarization controller to measure that the effect of polarization state on device efficiency is greatly suppressed. At 1550 nm, the efficiency of parallel polarization is 61%. The vertical polarization is 56 and the experimental results are in good agreement with the simulation results. In the case of single-photon laser communication, not only the effect of transmission environment should be considered, but also the performance of the real single-photon detector and the distribution of the number of photon substates should be considered. In this paper, on the basis of photoelectric detection model, the detection efficiency and dark count of (SNSPD) system of superconducting nanowire single photon detector are introduced, and the mathematical model of error performance of reaction system is established without considering the influence of atmospheric turbulence. A formula for calculating system bit error rate (BER) is presented. The effects of two factors, light intensity and laser pulse repetition rate, on the error rate are simulated, and the simulation model is verified by the experimental results. The experimental results of simulating photoelectricity detection in laser communication show that the influence of light intensity on BER is the most obvious. With the increase of light intensity from 0.01 photon / pulse to 1000 photon / pulse, the BER decreases obviously from 10 ~ (-1) to 10 ~ (-7). The effect of laser pulse repetition rate on bit error rate is restricted by different light intensity, but all of them decrease with the increase of pulse repetition rate. At the same time, when the light intensity is increased or the speed is increased, the bit error rate is higher than the simulation result, which is about 10-4 order of magnitude, which may be due to the deficiency of extinction ratio of modulated light signal in actual communication and the increase of the system dark count caused by the introduction of background noise from optical fiber. The model and experimental results lay a foundation for the further development of high-speed deep space laser communication based on SNSPD, such as the Moon Earth, Mars Earth and so on.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2349413