量子通信中单光子探测器的研制及相关问题的研究

摘要

量子保密通信利用量子力学原理进行量子密钥分发（QKD），实现密钥的安全交换，为解决传统密码体制的密钥交换问题提供了理想的解决方案。1310nm、1550nm作为目前光纤通信中最小损耗波长，是量子通信的主要应用波段，但红外波段的光子信号十分微弱，探测困难。研制出稳定高效的红外波段单光子探测器具有十分重要的意义。
　　 本文首先研究了各种量子密钥分发协议，讨论了量子保密通信的安全性及其关键技术，概述了国内外量子保密通信的最新实验进展。将单光子探测器的研制分为偏置电压、前置放大、雪崩信号提取、温度控制和数字控制电路五个模块。采用目前光通信长波段最理想的单光子探测器件InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD），详细设计了稳定的APD驱动电路，及无源抑制模式和有源门控模式下的偏置电压电路。测试结果表明，有源门控模式可以有效缩短死时间并提高计数率。APD输出的雪崩信号极其微弱，我们采用高精度宽带运放OP37实现了80～100倍的前置放大，并以精密比较器AD8561设计了窗鉴别器进行雪崩信号提取，有效滤除干扰，使探测灵敏度得到显著提高。由于温度是影响APD工作性能的重要因素，实验采用精密控制器MAX1978设计了APD热电制冷器，精确地控制APD的工作温度，并采用风冷系统进行二级散热，减小了温控部分的体积，更便于移动和维护。为了适应不同的APD及不同条件下的探测需求，以MCS—51系列单片机为核心器件，采用精密延时芯片DS1023系列设计了数字控制电路，通过机箱小键盘的按键输入，对工作参数及工作状态进行查询和设置，使该单光子探测器的适用性更为广泛。
　　 最后本文还对单光子探测器的暗计数、后脉冲、门控脉冲宽度等性能指标进行了初步的讨论。研究表明，合理设置门控脉冲宽度能够有效减小各种因素带来的干扰，提高探测器的性能。单光子探测器作为微弱光检测设备，不仅在量子保密通信中十分重要，本文还介绍了其在空间科学、生物学、医学等领域的应用。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 传统密码学

1.2 量子保密通信

1.2.1 量子密钥的安全性

1.2.2 量子密钥分发理论方案

1.3 量子保密通信中的关键技术

1.4 量子保密通信研究现状

第二章 单光子探测技术

2.1 单光子探测原理

2.2 单光子探测性能指标

2.3 单光子探测器件

第三章 红外波段单光子探测器的设计

3.1 雪崩光电二极管探测原理

3.2 APD偏置电压设计

3.2.1 APD驱动电路

3.2.2 无源抑制模式

3.2.3 有源抑制模式

3.3 前置放大器

3.3.1 放大器噪声性能分析

3.3.2 放大电路设计

3.4 雪崩信号提取

3.5 APD温度控制

3.5.1 APD工作温度

3.5.2 帕尔帖(Peltier)效应

3.5.3 热电制冷设计

3.6 数字控制电路

第四章 单光子探测器性能研究

4.1 单光子探测器的暗计数

4.2 热噪声

4.3 隧穿电流

4.4 后脉冲

4.5 门控脉冲宽度

第五章 单光子探测器的应用

5.1 单光子探测器在空间科学中的应用

5.2 单光子探测器在生物学中的应用

5.3 单光子探测器在医学中的应用

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文