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1、 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： n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。 n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:
2、尖峰信号 单光子探测器的应用 n（一）、红外波段单光子探测器及其在 量子通信领域中的应用 n（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 n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。 n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。 n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
3、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 n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 n以后需要解决的问题：最
4、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。 n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。 n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 n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。 n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
5、，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: n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。 n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。 n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
6、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。 可门控单光子探侧器工作框图 图 2000年5月14日用MCP测 Lageos2卫星（数据处理界面 ） 图 2000年7月1日用SPAD测 Lageos2卫星（数据处理界面 ） 我国进行月球激光测距的意义 n众所周知, 月球上资源丰富, 是人类未来资源和能源 的“宝库”。联合国月球条约规定, 月球不属于任何国 家, 但允许各国开发利用, 因此“谁先利用, 谁先获益” 。21 世纪人类探月的总目标是建立月球基地, 开发利 用资源、能源和特殊环境, 为人类社会的可持续发展 提供长期稳定的支持。我国进行LLR 对于探测月球 和进行深空探测将有着重要意义 。 n实现中国探月所放置激光反射器月面坐标的确定和探 月运载飞行器的激光测距, 在学术上有很高的显示度 和代表度, 也是中国探月工程的需要, 它将为一系列 的科学研究提供数据, 同时推动我国光电探测技术的 发展, 使中国的激光测距进入世界先进行列, 其现实 意义非常重要。