【摘要】：量子保密通信是量子信息學(xué)科的一個(gè)重要組成部分。基于量子不可克隆定理和不確定性原理,量子保密通信提供了一種無(wú)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(gè)光子,因此在信道接收端對(duì)其進(jìn)行探測(cè)的單光子探測(cè)器成為重要的核心器件。半導(dǎo)體單光子探測(cè)器因其成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)勢(shì)在實(shí)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(dǎo)體單光子探測(cè)器的設(shè)計(jì)與研發(fā)極為重要。單光子雪崩二極管和淬滅電路是半導(dǎo)體單光子探測(cè)器必不可少的兩個(gè)核心組成部分,前者的性能指標(biāo)如探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)等直接影響探測(cè)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(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)。本論文為提升InGaAs/InP雪崩光電二極管單光子探測(cè)器的性能進(jìn)行了深入研究,并開展了 InGaAs/InP單光子探測(cè)器小型化、集成化的系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及高速高效率硅單光子探測(cè)器研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。針對(duì)InGaAs/InP單光子雪崩二極管,通過(guò)符合門技術(shù)提取雪崩信號(hào),設(shè)計(jì)了基于低速門控模式的測(cè)試方案,搭建測(cè)試平臺(tái),基于LabVIEW儀器控制程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)InGaAs/InP單光子雪崩二極管的性能表征,可以快速分析其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。針對(duì)實(shí)用化量子密鑰分發(fā)對(duì)探測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)了微型化正弦門控單光子探測(cè)器,并對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定,驗(yàn)證其可靠性。針對(duì)多光子糾纏實(shí)驗(yàn)對(duì)探測(cè)器高探測(cè)效率的需求,將高速正弦門控方案應(yīng)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(cè)器。利用高速大幅度正弦門控信號(hào),在提升硅單光子雪崩二極管過(guò)壓的同時(shí),縮短雪崩時(shí)間,在不增大噪聲的情況下,實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率的提升。并對(duì)探測(cè)器進(jìn)行性能測(cè)試后應(yīng)用于多光子糾纏實(shí)驗(yàn)。在本論文的研究過(guò)程中,主要有以下創(chuàng)新點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)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(jì)了高性能的微型化正弦門控單光子探測(cè)器,探測(cè)效率可達(dá)30%以上,同時(shí)體積僅為現(xiàn)有同類型商用探測(cè)器的5%。(3)將高速正弦門控濾波技術(shù)應(yīng)用于硅半導(dǎo)體單光子探測(cè)器,在與商用SPCM探測(cè)器相比,實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率6%的相對(duì)提升,并在四光子糾纏實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了 30%的收集效率提升。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(cè)器出現(xiàn)很早，被廣泛應(yīng)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(yīng)和二次電子發(fā)射發(fā)射機(jī)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(gè)倍增極和收集陽(yáng)極等特殊電極逡逑被裝入透明真空的殼體內(nèi)。工作時(shí)，光陰極和第一倍增極之間、相鄰各級(jí)倍增極逡逑之間以及最后一極倍增極和陽(yáng)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(shí)，光陰極向真空管內(nèi)發(fā)射光電子，光電子逡逑通過(guò)聚焦極匯聚，在電場(chǎng)作用下向第一倍增極運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)的作用下向下一級(jí)倍增極運(yùn)動(dòng)，再次激發(fā)出更多逡逑的二次電子，光電子在各個(gè)倍增極成倍的激發(fā)出二次電子，最后在陽(yáng)極被吸收，逡逑形成可探測(cè)的宏觀電流，最終增益為Ｉ０４？１０８倍。光電倍增管的光譜響應(yīng)由光陰逡逑極和光窗的材料決定�，F(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(cè)器出現(xiàn)很早，被廣泛應(yīng)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(yīng)和二次電子發(fā)射發(fā)射機(jī)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(gè)倍增極和收集陽(yáng)極等特殊電極逡逑被裝入透明真空的殼體內(nèi)。工作時(shí)，光陰極和第一倍增極之間、相鄰各級(jí)倍增極逡逑之間以及最后一極倍增極和陽(yáng)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(shí)，光陰極向真空管內(nèi)發(fā)射光電子，光電子逡逑通過(guò)聚焦極匯聚，在電場(chǎng)作用下向第一倍增極運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)的作用下向下一級(jí)倍增極運(yùn)動(dòng)，再次激發(fā)出更多逡逑的二次電子，光電子在各個(gè)倍增極成倍的激發(fā)出二次電子，最后在陽(yáng)極被吸收，逡逑形成可探測(cè)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(yīng)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(diǎn)：（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(cè)效率相與高，在５４０邋ｎｍ到８５０邋ｎｍ波段探測(cè)效率均可達(dá)５０％以上，最高探逡逑測(cè)效率在７０％以上；（５）暗計(jì)數(shù)較低，最小在幾十個(gè)左右；（６）在光子到達(dá)的時(shí)逡逑７逡逑

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本文編號(hào)：2763023