1、單光子探測器及其發展應用全立梅單光子探測器的發展現狀:過去的幾年內，量子信息技術得到了飛速的發 展,并且已經成為物理學和信息學界關注的焦 點。在這項技術中，單光子探測又是關鍵中的單光子探測技術在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質分析、高速現象檢測、精密分析、大氣測污、生物發光、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發系統 等領域有著廣泛的應用。由于單光子探測器 在富技術領域的重要地位，它已經成為各發 達竄家光電子學界重點研究的課題之一。單光子探測器的原理+DC單光子信號JUDioBiasTeeAP D的輸出信號Differential comparatorPD / 180尖峰信號P

2、ulse GeneratorI* DCHJ00CFdICounterP ramp lifi er Disc ri rri nator二極管的輸出信號：尖峰信號圖2單光子探測器電路組成框圖（一）、紅外波段單光子探測器及其在 量子通信領域中的應用（二）可門控單光子探測器在天文觀測 中的應用（一）、紅外波段單光子探測器及 其在量子通信領域中的應用目前，單光子探測器在通信波段的應用中，量子密鑰 分發技術（QKD）可能是最受關注的領域之一。現階段廣為使用的通信系統，原則上都可以被竊聽， 存在安全隱患。量子保密通信技術通過單一光子或糾 纏光子來傳送信息，有其絕對安全性。當信源與信宿之間用單光子傳輸信息時，

3、實際上是降 低信道損耗，但是光子的波段必須在通信波段附近， 而且為了實現量子密鑰分發技術，探測器需要有較高 探測效率和較低的暗計數率，這就意味著在這樣的通 信系統中需要用InGaAs/lnP APD或SSPD作為單光 子探測器件。InGaAs/InPAPD 與SSPD 作為單光子探測器在量子通信中的應用在QKD系統中兩個重要參數：原始密鑰分發率心“和量子比特誤碼率(QBER): 原始密鑰分發率：RfawR/aw det frep“表示每一個脈沖中平均包含的光子數 T表示光子能在光纖中傳輸的概率， 訃 表示光子能被接收的概率， 繆 表示探測器的探測效率，Jrep表示重復頻率量子比特誤碼率：（QB

4、ER）JQBER = QBERR opt + QBERRQBERR det = P（lc /（2馬c + “兀厶"det）QBERR opt是系統中由于光學差異而產生的誤碼率QBERR血 是由探測器的暗計數而產生的誤碼率表示光子能在光纖中傳輸的概率紅外波段單光子探測器的現狀與展以后需要解決的冋題：最突岀的是如何提咼 探測器的光子探測效率，降低暗技術率，提 高重復頻率。解決的辦法：可以從新材料的選擇，器件結 構設計，抑制電路參數優化，集成化與小型 化等方面。不僅僅用在量子通訊技術上，它還是高分辨 光時域反射計(OTDR)的核心，而且在紅 外光譜等方面也可以找到廣泛應用。（二）可門控單光

5、子探測器在 天文觀測中的應用月球激光測距（LLR）代表了單光子探測技術 的高峰，是國際激光測距界奮斗的目標。天文觀測中常常遇到極微弱光信號的探測問 題，望遠鏡接收到的光信號僅有很少的光子 數甚至單光子，需要在噪聲遠遠大于有用信 息的不利情況下識別岀有用的信號。受益于 當代高科技的迅速發展，人們得以采用多種 手段不斷提高信號分離和探測能力。目前月球激光測距技術所面臨 的最大問題：_J"地月間距離的遙遠（約為380000km,再加上種種原 因，地面測站接收到的從月面激光皮射器反射而回的 激光光子數太少，已經達到亞單光子探測的程度。探月運載飛行器的激光測距，雖然測程小于地月距離, 但又受到

6、其他條件限制，如運載飛行器初軌的確定、 運載飛行器上激光后向反射器的大小與分布、天空背 景對白天測距的影響等，所以對中國探月激光測距而 言，其難度是不言而喻的。對于遠距離衛星可收到數個至數百個光電子的回波， 而月球反射的回波還不到一個光子。面對如此微弱的 回波信號必須采用高靈敏度的可門控探測器。如致冷 的單光子雪崩二極管（C-SPAD）或微通道板增強型光 電倍增管（MCP-PTM）。事買上，即便如此，信號 依然淹沒在噪聲中，只有采取了門控措施才能實現信 號的分離。可門控單光子探側器工作框圖8葩加圖2000年5月14日用MCP測Lageos2衛星（數據處理界面）STFDe:L2051413.ob

7、fNuoib：lM3Tlmn 心N:1524RMS: 00019S8901DMAk:1485,04417R601WEFUc：804.0 22.019.0 H.O圖2000年7月1日用SPAD測Lageos2衛星（數據處理界面）我國進行月球激光測距的意義眾所周知，月球上資源豐富，是人類未來資源和能源 的“寶庫”。聯合國月球條約規定，月球不屬于任何 國家，但允許各國開發利用，因此“誰先利用，誰先獲 益”。21世紀人類探月的總目標是建立月球基地，開 發利用資源、能源和特殊環境，為人類社會的可持續 發展提供長期穩定的支持。我國進行LLR對于探測 月球和進行深空探測將有著重要意義。實現中國探月所放置激光反射器月面坐