单光子探测器及其发展应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单光子探测器,及其发展应用,-全立梅,单光子探测器的发展现状：,过去的几年内,量子信息技术得到了飞速的发展,并且已经成为物理学和信息学界关注的焦点。在这项技术中,单光子探测又是关键中的关键。,单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、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、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。,单光子探测器的原理,图2单光子探测器电路组成框图,APD的输出信号,单光子信号,尖峰信号,二极管的输出信号:尖峰信号,单光子探测器的应用,（一）、红外波段单光子探测器及其在量子通信领域中的应用,（二）可门控单光子探测器在天文观测中的应用,（一）、红外波段单光子探测器及其在量子通信领域中的应用,目前，单光子探测器在通信波段的应用中，量子密钥分发技术（QKD）可能是最受关注的领域之一。,现阶段广为使用的通信系统，原则上都可以被窃听，存在安全隐患。量子保密通信技术通过单一光子或纠缠光子来传送信息，有其绝对安全性。,当信源与信宿之间用单光子传输信息时，实际上是降低信道损耗，但是光子的波段必须在通信波段附近，而且为了实现量子密钥分发技术，探测器需要有较高探测效率和较低的暗计数率，这就意味着在这样的通信系统中需要用InGaAs/InP APD 或SSPD 作为单光子探测器件。,InGaAs/InP APD 与SSPD 作为单光子探测器在量子通信中的应用,原始密钥分发率：,表示每一个脉冲中平均包含的光子数,表示光子能在光纤中传输的概率，,表示光子能被接收的概率，,表示探测器的探测效率，,表示重复频率,在QKD系统中两个重要参数：,原始密钥分发率 和量子比特误码率（QBER）：,量子比特误码率：（QBER）,是系统中由于光学差异而产生的误码率,是由探测器的暗计数而产生的误码率,表示光子能在光纤中传输的概率,红外波段单光子探测器的现状与展望,以后需要解决的问题：最突出的是如何提高探测器的光子探测效率，降低暗技术率，提高重复频率。,解决的办法：可以从新材料的选择，器件结构设计，抑制电路参数优化，集成化与小型化等方面。,不仅仅用在量子通讯技术上，它还是高分辨光时域反射计（OTDR）的核心，而且在红外光谱等方面也可以找到广泛应用。,（二）可门控单光子探测器在天文观测中的应用,月球激光测距(LLR)代表了单光子探测技术的高峰,是国际激光测距界奋斗的目标。,天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问题，望远镜接收到的光信号仅有很少的光子数甚至单光子，需要在噪声远远大于有用信息的不利情况下识别出有用的信号。受益于当代高科技的迅速发展，人们得以采用多种手段不断提高信号分离和探测能力。,目前月球激光测距技术所面临的最大问题:,地月间距离的遥远(约为380000km),再加上种种原因,地面测站接收到的从月面激光反射器反射而回的激光光子数太少,已经达到亚单光子探测的程度。,探月运载飞行器的激光测距,虽然测程小于地月距离,但又受到其他条件限制,如运载飞行器初轨的确定、运载飞行器上激光后向反射器的大小与分布、天空背景对白天测距的影响等,所以对中国探月激光测距而言,其难度是不言而喻的。,对于远距离卫星可收到数个至数百个光电子的回波，而月球反射的回波还不到一个光子。面对如此微弱的回波信号必须采用高灵敏度的可门控探测器。如致冷的单光子雪崩二极管(C-SPAD)或微通道板增强型光电倍增管（MCP-PTM）。事实上，即便如此，信号依然淹没在噪声中，只有采取了门控措施才能实现信号的分离。,可门控单光,子,子探侧器工,作,作框图,图 2000年5月14日用MCP测Lageos2卫,星,星（数据处,理,理界面）,图 2000年7,月,月1日用SPAD测Lageos2卫星（数,据,据处理界面,）,）,我国进行月,球,球激光测距,的,的意义,众所周知,月,月球上资,源,源丰富,是,是人类未来,资,资源和能源,的,的“宝库”,。,。联合国月,球,球条约规定,月球不,属,属于任何国,家,家,但允,许,许各国开发,利,利用,因,此,此“谁先利,用,用,谁先,获,获益”。21 世纪人,类,类探月的总,目,目标是建立,月,月球基地,开,开发利用,资,资源、能源,和,和特殊环境,为人类,社,社会的可持,续,续发展提供,长,长期稳定的,支,支持。我国,进,进行LLR,对,对于探测,月,月球和进行,深,深空探测将,有,有着重要意,义,义。,实现中国探,月,月所放置激,光,光反射器月,面,面坐标的确,定,定和探月运,载,载飞行器的,激,激光测距,在,在学术上,有,有很高的显,示,示度和代表,度,度,也是,中,中国探月工,程,程的需要,它,它将为一,系,系列的科学,研,研究提供数,据,据,同时,推,推动我国光,电,电探测技术,的,的发展,使,使中国的激,光,光测距进入,世,世界先进行,列,列,其现,实,实意义非常,重,重要。,演讲完毕，,谢,谢谢观看！,