【摘要】：量子保密通信是量子信息學科的一個重要組成部分�；诹孔硬豢煽寺《ɡ砗筒淮_定性原理,量子保密通信提供了一種無條件安全的通信方式。在量子通信系統(tǒng)中,信息的載體是單個光子,因此在信道接收端對其進行探測的單光子探測器成為重要的核心器件。半導體單光子探測器因其成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)勢在實用化量子通信技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。因此,高集成度、高性能半導體單光子探測器的設(shè)計與研發(fā)極為重要。單光子雪崩二極管和淬滅電路是半導體單光子探測器必不可少的兩個核心組成部分,前者的性能指標如探測效率、暗計數(shù)等直接影響探測器的相關(guān)性能;后者決定了單光子雪崩二極管的工作模式,并將二極管產(chǎn)生的探測信號轉(zhuǎn)換為可計數(shù)的數(shù)字信號。本論文為提升InGaAs/InP雪崩光電二極管單光子探測器的性能進行了深入研究,并開展了 InGaAs/InP單光子探測器小型化、集成化的系統(tǒng)設(shè)計,以及高速高效率硅單光子探測器研究和系統(tǒng)設(shè)計工作。針對InGaAs/InP單光子雪崩二極管,通過符合門技術(shù)提取雪崩信號,設(shè)計了基于低速門控模式的測試方案,搭建測試平臺,基于LabVIEW儀器控制程序,實現(xiàn)對InGaAs/InP單光子雪崩二極管的性能表征,可以快速分析其各項參數(shù)指標。針對實用化量子密鑰分發(fā)對探測器效率高、體積小、速率快的需求,基于低溫共燒陶瓷技術(shù),設(shè)計了適用于InGaAs/InP單光子雪崩二極管的單片集成雪崩讀出電路,并實驗驗證了其功能和可靠性;在此基礎(chǔ)上,基于該芯片與集成制冷的InGaAs/InP單光子雪崩二極管,設(shè)計了微型化正弦門控單光子探測器,并對其性能指標進行測試標定,驗證其可靠性。針對多光子糾纏實驗對探測器高探測效率的需求,將高速正弦門控方案應用于硅單光子雪崩二極管,研制出高速高效率門控硅單光子探測器。利用高速大幅度正弦門控信號,在提升硅單光子雪崩二極管過壓的同時,縮短雪崩時間,在不增大噪聲的情況下,實現(xiàn)探測效率的提升。并對探測器進行性能測試后應用于多光子糾纏實驗。在本論文的研究過程中,主要有以下創(chuàng)新點:(1)設(shè)計了適用于正弦門控方案的單片集成雪崩讀取電路,芯片尺寸為15mm×15mm,.L與現(xiàn)有的傳統(tǒng)雪崩讀出電路相比,體積縮小95%以上。(2)設(shè)計了高性能的微型化正弦門控單光子探測器,探測效率可達30%以上,同時體積僅為現(xiàn)有同類型商用探測器的5%。(3)將高速正弦門控濾波技術(shù)應用于硅半導體單光子探測器,在與商用SPCM探測器相比,實現(xiàn)探測效率6%的相對提升,并在四光子糾纏實驗中實現(xiàn)了 30%的收集效率提升。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O413;TN918
【圖文】：

圖１．１光電倍增管工作原理示意圍丨２５１逡逑光電倍增管單光子探測器出現(xiàn)很早，被廣泛應用于天體物理，粒子物理等領(lǐng)逡逑域。其主要工作原理為外光電效應和二次電子發(fā)射發(fā)射機制［２５］。圖１．１為光電逡逑倍增管的工作原理示意圖。光陰極、聚焦極、多個倍增極和收集陽極等特殊電極逡逑被裝入透明真空的殼體內(nèi)。工作時，光陰極和第一倍增極之間、相鄰各級倍增極逡逑之間以及最后一極倍增極和陽極之間加有依次升高的正向電壓，從玻璃窗入射的逡逑光子能量大于光陰極中電子的逸出功時，光陰極向真空管內(nèi)發(fā)射光電子，光電子逡逑通過聚焦極匯聚，在電場作用下向第一倍增極運動，并在第一倍增極表面激發(fā)出逡逑二次電子，這些電子再次在電場的作用下向下一級倍增極運動，再次激發(fā)出更多逡逑的二次電子，光電子在各個倍增極成倍的激發(fā)出二次電子，最后在陽極被吸收，逡逑形成可探測的宏觀電流，最終增益為Ｉ０４？１０８倍。光電倍增管的光譜響應由光陰逡逑極和光窗的材料決定。現(xiàn)有光陰極材料主要有Ｃｓ－Ｉ、Ｓｂ－Ｃｓ、ＧａＡｓＰ等材料

邐（ＤＹＮＯＤＥＳ）逡逑＼邋ＰＨＯＴＯＣＡＴＨＯＤＥ逡逑圖１．１光電倍增管工作原理示意圍丨２５１逡逑光電倍增管單光子探測器出現(xiàn)很早，被廣泛應用于天體物理，粒子物理等領(lǐng)逡逑域。其主要工作原理為外光電效應和二次電子發(fā)射發(fā)射機制［２５］。圖１．１為光電逡逑倍增管的工作原理示意圖。光陰極、聚焦極、多個倍增極和收集陽極等特殊電極逡逑被裝入透明真空的殼體內(nèi)。工作時，光陰極和第一倍增極之間、相鄰各級倍增極逡逑之間以及最后一極倍增極和陽極之間加有依次升高的正向電壓，從玻璃窗入射的逡逑光子能量大于光陰極中電子的逸出功時，光陰極向真空管內(nèi)發(fā)射光電子，光電子逡逑通過聚焦極匯聚，在電場作用下向第一倍增極運動，并在第一倍增極表面激發(fā)出逡逑二次電子，這些電子再次在電場的作用下向下一級倍增極運動，再次激發(fā)出更多逡逑的二次電子，光電子在各個倍增極成倍的激發(fā)出二次電子，最后在陽極被吸收，逡逑形成可探測的宏觀電流

２．１．１硅單光子雪崩二極管逡逑硅ＳＰＡＤ的發(fā)展非常成熟。它的光譜響應范圍在４００邋ｎｍ到１０００邋ｎｍ之間。逡逑硅ＳＰＡＤ的結(jié)構(gòu)主要有三種，如圖２．１所示。逡逑１００－２００邋ｐｍ逡逑１０－１００邋ｕｍ逡逑Ｈ２３邐ｅ邐ｃ５Ｓ邐ｈｖ－ｊ邐＾逡逑Ｕ，－邐ｆａ邋ｒ逡逑圖２．１硅ＳＰＡＤ主要結(jié)構(gòu)逡逑最左側(cè)為“貫穿”型（Ｒｅａｃｈ邋ｔｈｒｏｕｇｈ）結(jié)構(gòu)［３９］，是由Ｐｅｒｋｉｎ邋Ｅｌｍｅｒ公司開逡逑發(fā)，主要有以下特點：（１）邋ＰＮ結(jié)厚度較大，通常為幾十，又被稱為“厚結(jié)”逡逑結(jié)構(gòu)；（２）由于ＰＮ結(jié)較厚，這種結(jié)構(gòu)的器件雪崩擊穿電壓較高，一般從２００邋Ｖ逡逑到５００邋Ｖ不等；（３）其感光區(qū)域也比較大，直徑在１００ｐｍ至５００邋ｐｍ之間；（４）逡逑探測效率相與高，在５４０邋ｎｍ到８５０邋ｎｍ波段探測效率均可達５０％以上，最高探逡逑測效率在７０％以上；（５）暗計數(shù)較低，最小在幾十個左右；（６）在光子到達的時逡逑７逡逑

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本文編號：2763023