100 MHz光子数可分辨探测器量子层析标定

设计了基于雪崩光电二极管的光子数可分辨单光子探测器,采用短脉冲门控信号结合电容平衡噪声抑制方案实现了单通道100 MHz、探测效率40.5%的高性能探测,配合空间分束,有效分辨入射光子数目。为了更完整地描述探测器的量子特征,引入量子探测器层析技术,由单通道单光子探测器入手,到双通道光子数可分辨探测器,进行了量子层析标定,重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数。结果表明,双通道100 MHz光子数可分辨探测器可实现量子探测。

Al/Ti双层薄膜TES的光子数分辨特性表征

报道了Al/Ti双层薄膜超导TES的光子数分辨特性。通过设计双层薄膜的尺寸,使其满足光子数分辨所需的热导、热容需要,制备出了完好的TES。在320m K的低温下,通过测试其对1550nm光脉冲的响应,发现等效光子数分辨率可达到40个左右。这是使用超导TES实现单光子探测及进一步实现量子通讯的重要基础。

基于光子数可分辨探测器的单脉冲光子数检测

为了对未知脉冲所含的光子数进行标定,针对不同光子数的光脉冲在超导环境下,微波动态电感探测器(MKID)作用时,测量系统输出的信号差异性,采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别;经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单,迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速光子数可分辨探测

通过正弦门低通滤波方案,实现了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的高速单光子探测。同时,配合多通道集成技术,完成了四合一的GHz单光子探测阵列。最后,通过空间分束的方法,实现了GHz 4光子的高速光子数可分辨探测。通过和理论值比较,发现光子数分辨的误差最大仅为2.285%,达到了有效的分辨。研究多通道光子数可分辨技术,为激光测距、随机数生成器以及量子保密通信等诸多领域的快速发展提供了保障。

高速MPPC的光子数可分辨探测

为了提高多像素光子计数器(MPPC)的高速探测并改善光子数分辨特性,采用门控抑制的MPPC,并通过自平衡及低通滤波相结合的技术手段,将MPPC的容性尖峰噪声抑制到热噪声水平,在实现光生雪崩信号的线性提取的同时快速恢复探测。实验结果表明,200 MHz门控的MPPC实现了40 MHz重复频率激光下14个光子的有效分辨,平均每脉冲光子数高达6.8。与被动抑制模式相比,200 MHz正弦门控模式下的光子数分辨效果明显得到了改善,为高速光子数可分辨探测提供了参考。

强光下多像素光子计数器超动态范围的实验证明与机理分析

现有理论认为多像素光子计数器(MPPC)的动态范围由其雪崩的单元总数决定,如果一个MPPC的单元数为1 000,那么它同时能够探测到的光电子数最多为1 000个.只有激发光脉冲的宽度大于MPPC输出的雪崩脉冲的宽度时,MPPC的一个单元才可以发生多次雪崩,从而使能够探测到的光子数增加.文中利用皮秒短脉冲激光实验分析MPPC的动态范围特性.结果表明,即使入射光脉冲的宽度远小于MPPC输出的雪崩脉冲的宽度,在入射光强度较大时,MPPC输出信号的幅度也可以数倍于其单元总数等效的幅度.在MPPC正常工作时,MPPC的非高电场区(即所谓的死区)也有一定的增益,约为250,高场区的增益在105以上;MPPC的非高电场区应工作在雪崩光电二极管的线性模式.

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.

多像素光子计数器的光子数分辨模型与实验验证

以多像素光子计数器(MPPC)的光电特性与工作原理为基础,提出了MPPC的短脉冲光子数分辨模型,并分别在忽略与考虑光学串话(OC,optical crosstalk)效应时导出MPPC的短脉冲光响应模型。实验表明,理论模型与实验结果吻合,且实际的光子数分辨谱对理想分布的偏离主要是由于OC效应引起的。利用本文模型可以方便而准确地反演出入射光脉冲的平均光子数信息,快速地判断入射光子数分布是否是预期的统计分布,并可以推广到具有其他脉冲光子数统计分布的情况,具有一定的普适性。本文理论模型不仅可用于指导MPPC的设计与优化,而且对MP-PC在光子统计分布的测量、单光子源的表征等弱光探测领域的应用具有较重要的意义。

向长波方向发展的光子数分辨探测技术

研究了光子数分辨探测器技术发展的物理基础,技术现状和发展趋势.重点分析了目前能达到单光子分辨的发展中的三种探测技术:越界超导传感技术(superconducting transition-edge sensor),电荷积分单光子探测技术(charge integration photon detection)和雪崩光电二极管单光子分布探测技术(delayed single photon probability mappingbased on avalanche photodiode),讨论了探测器的光子数分辨能力及其噪音来源.

SNSPD的物理模型与研究进展

基于超导原理的超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single photon detector,SNSPD)以其在高量子效率、高计数率、低暗计数和低时间抖动等方面的优势引起广泛的研究。综述了SNSPD的物理模型和研究进展。首先从第一次在实验上发现超导铅薄膜的电热效应出发讲述了SNSPD的起源。然后从SNSPD进行单光子探测的物理过程出发详细分析了SNSPD的单光子探测机制,并分别根据电热模型和唯象模型对探测机制进行了详细的物理解释。紧接着,详细阐述了量子效率分析模型,指出SNSPD的系统量子效率由本征量子效率、耦合效率和光吸收效率三部分组成。最后,从如何提高入射光子与SNSPD的耦合效率、如何提高光子吸收效率、如何提高SNSPD本征量子效率、研究基于新型材料的SNSPD、如何实现光子数分辨和对光子偏振态不敏感的SNSPD、以及研究SNSPD的噪声机制以减小暗计数和时间抖动等方面详细列举了目前各小组研究SNSPD所取得的最新进展。

标记光源的量子密钥分配方案

研究了基于实际系统的量子密钥分配协议.在使用纠缠的基础之上,提出了一种使用光子数可分辨探测器的标记单光子光源的量子密钥分配方案.分析和计算结果表明,该方案不仅可以增加安全通讯的距离,而且可以有效降低对实验技术的要求.

利用单光子探测器测量多光子响应时间

通过研究单光子探测器对微弱激光脉冲的暂态响应特性,利用不同光子数的响应时间实现光子数的分辨测量。理论上分析了光子数响应时间与微弱光脉冲探测时间的对应关系。实验上通过测量不同光强下单光子探测器的暂态响应,测量到1 550nm波段单光子、双光子和三光子的响应时间分别为10.73±0.17、8.75±0.32和5.98±0.77ns。实现精确区分微弱光场中的光子数。分析了单光子探测器光子数统计涨落引起的微弱激光脉冲的探测时间变化对光子数响应时间测量的影响。

基于探测器模型的MPPC标定方法

探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。