基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究

摘要

本论文的目的是基于商售雪崩光电二极管的特点，为设计出一种稳定、高效和低噪声单光子探测器系统做前期技术研究。文章介绍了量子密码术出现背景及其机理和国内外的研究近况，分析了单光子探测器的发展及其各自优缺点，阐述了单光子探测核心器件APD的特殊工作原理及其用于单光子探测的几种工作模式，着重分析了强衰减方法实现单光子脉冲的原理，并用光纤耦合分束器实现了单光子脉冲输出。在第三章中我们对整个单光子探测系统做了全面的设计，其中包括高效低纹波APD直流偏压源设计、温控仪及恒温腔设计、电缆形成超短脉冲的设计方法和单光子信号鉴别技术。第四章中，通过无源抑制方法实验比较了不同厂家提供的APD，分析了它们的温度、增益及噪声特性，最终确定了Epitaxx-APD具有良好雪崩增益特性，更适合做单光子探测器。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1两种密码体制的基本知识

1.1.1一次一密密码体制

1.1.2公钥密码体制

1.1.3量子密钥体制

1.2量子保密通信

1.2.1国内外研究现状

1.2.2关键技术

1.3单光子探测器发展

1.3.1单光子计数器原理

1.3.2可用作单光子探测的光电探测器

1.4雪崩光电二极管APD的结构及工作原理

1.4.1三种光电探测材料

1.4.2 APD典型结构分析

1.4.3 SPADs的单光子探测机理

1.4.4 SPADs的主要性能分析

1.5红外单光子探测器SPADs工作模式

1.5.1无源抑制方式

1.5.2有源抑制方式

1.5.3混合抑制方式

1.5.4门控抑制方式

1.6本章小结

第二章强衰减单光子源的实现

2.1强衰减系统的设计原理

2.1.1基本原理

2.1.2衰减量的推导

2.2强衰减系统的实现

2.2.1光衰减系统设计

2.2.2实验验证原理

2.3两种高效率的单光子源

2.3.1参量下转换

2.3.2单电子LED

2.4本章小结

第三章单光子探测器系统设计

3.1 APD直流偏压源

3.1.1连续可调APD直流偏压源设计

3.1.2数控输出APD直流偏压源

3.2 APD恒温控制仪

3.2.1温度传感器

3.2.2PN结温度传感器原理

3.2.3温控仪设计及其说明

3.3恒温制冷腔设计

3.3.1热电制冷原理

3.3.2热电制冷器

3.3.3恒温制冷腔设计

3.4纳秒门控脉冲产生技术

3.5单光子信号检测

3.5.1 APD本身噪声

3.5.2前置放大器带来的噪声

3.5.3单光子信号的鉴别

第四章探测器性能测试分析及红外单光子初步探测

4.1探测器特性测试电路设计

4.2 InGaAs/InP SAGM-APD有关特性测试及分析

4.2.1伏安特性

4.2.2倍增及信噪比

4.3Epitaxx APD单光子计数实验

4.4单光子雪崩信号初步探测及分析

4.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

独创性声明

致谢

附录