课程报告《近红外单光子探测器》.docxVIP

电子科技大学光电信息学院课程论文课程名称红外与传感技术题目名称单光子探测器研究进展学号姓名2014年6月20日摘要：单光子探测是一种极微弱光探测技术, 在高分辨率光谱测量、高速现象检测、精密分析、非破坏性物质分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、地球科学、空间科学、量子信息等领域有着极其广泛的应用。本文主要从工作原理、工作参数和优缺点等方面介绍了目前常用的单光子探测器件和技术。关键词：单光子，近红外，探测器1引言自从1984年Bennett 和Brassard 提出第一个量子密码术方案并于1989 年成功地完成量子密码通讯实验的演示之后，世界各国掀起了量子密码通讯实验的高潮。作为量子密码通讯技术关键技术之一的单光子探测技术也逐渐在量子光学的微弱光探测领域中显示出广阔的前景，而日新月异的半导体技术为单光子探测技术的发展提供了强大的动力。量子通讯是利用量子态不可克隆的原理来保护量子载体中的必威体育官网网址信息不被窃取，根据量子探测原理，窃听者获取的载有相同信息的量子体系数量越多，其经过多次探测后获得正确信息的可能性就越大，所以载有必威体育官网网址信息的量子体系越少越好。因此在各种QKD方案中，实际载有信息的量子体系一般都是单光子。对一套QKD方案来说，单光子探测的表现很大程度上影响其安全性和最大有效通讯距离，很多QKD系统的潜在漏洞都是由于量子器件的不够完美造成的。同时，单光子探测器的重复频率影响系统的工作频率，探测效率影响系统的成码率，暗计数率影响误码率和基于误码率检测的安全性分析。除此之外，某些单光子探测器对不同偏振态入射的光子有不同的探测效率，这同样会影响系统成码率的稳定度。若单光子探测器具有良好的光子数分辨能力的话，基于光子数布居的安全监测方法也能够增加系统的安全性。所以单光子探测器性能对量子通讯有着非常重要的意义。2单光子探测器件参数单光子探测器（Single Photon Detector SPD）的基本功能是响应单个或多个光子，并输出相应的计数脉冲信号以表征该光子。单光子探测器的材料和工作方式各不相同，但其工作目的基本相同，所以一个单光子探测器（亦称作光子计数器Photon Counter）或探测技术的工作性能一般可以由下几个通用的指标来标定。[1]（1）光谱响应范围（spectral range）。单光子探测器的吸收层材料能带带隙决定了其只能对一定光谱范围内的入射光信号产生有效探测，而它的响应范围也就决定了其应用领域。一般来说，空间光学应用多着眼于可见光波段和近红外光波段；而1310 nm和1550 nm在光纤中传输的损耗最小，该波段也就成为了长距离光纤通讯的首选。（2）死时间（dead time）。也称作探测器的恢复时间，即探测器在实现一次光子探测后无法再次工作的间隔时间。事实上，一种探测器的内在死时间主要取决于其敏感元件的材料和结构类型。然而在很多情况下，探测器的偏置电路和计数电路却很大程度地影响着实际测量出来的死时间，而非敏感元件的材料和结构本身。在半导体单光子探测器的实际应用中，死时间常常会被刻意地延长来抑制后脉冲（后脉冲是指在光子引发的信号之后被诱发的不对应光子信号的随机信号）的产生。死时间会限制探测器的最大饱和计数率，使其远小于系统的工作时钟频率。（3）暗计数率（dark count rate）。即没有光子入射的情况下产生的输出信号。大多数的探测技术都会或多或少的有这种误发信号，也可被称为暗噪声或暗电流。该参数一般受到敏感元件材料、电路偏置情况或外来噪声的影响。一般情况下，暗计数率的数值表达为个/秒，但有些情况下也可表达为个/探测门。将探测器工作在门触发模式或设置萍灭时间可有效缓解暗计数率，最小探测门宽或淬灭时间的间隔由探测器的时间抖动所决定。（4）探测效率(detection efficiency)。单光子探测器的探测效率定义为由光子入射引发的成功探测（计数）的概率，即实际计数值/光子入射值。（5）时间抖动(timingjitter) 。从光信号输入到电信号输出的延时的不确定性范围。对时间抖动的可靠测量就是对相同时间的入射光子进行多次测量，通过输出信号在时间轴上的统计分布的半高宽(FWHM)来进行度量。探测器时间抖动越小，意味着该探测器的时间分辨能力和精确度越好。（6）光子数分辨能力(photon number resolving (PNR) ability)。准确分辨入射光子个数的能力。大多数传统单光子探测器只能分辨和输出“有光子”和“无光子”两种状态，这种二进制输出意味着多光子和一个光子的输出是一样的不可区分。（7）信噪比与相对参数(Figures of merit for single-photon detectors)。对光电二极管而言，最常被引用的参数就是其噪声等效功率(NEP)，该参