空间量子通信硅雪崩光电二极管单光子探测器技术研究

论文摘要

在过去二十多年里,单光子探测器作为重要的关键器件广泛应用于空间应用,如激光测距、激光时间传输、空间辐照探测器、基本粒子的闪烁探测以及深空光通信等。由于空间的高真空、高辐照环境,对在轨探测器的可靠性、抗辐照性提出了很高的要求,特别是对于一些噪声敏感的应用,如空间量子隐形传态、基于量子纠缠的空间量子密钥分发等。目前常用的单光子探测器主要有光电倍增管单光子探测器、APD（雪崩光电二极管,Avalanche PhotoDiode）单光子探测器、上转换单光子探测器以及超导纳米线单光子探测器这几种。相比光电倍增管单光子探测器较低的探测效率（在800nm附近探测效率只有10%左右）、上转换单光子探测器复杂的光电系统以及超导纳米线单光子探测器笨重复杂的制冷设备,暗计数低、探测效率高（在800nm附近探测效率可达60%左右）、便宜、结构紧凑的硅APD单光子探测器更适合于空间应用。在空间辐照环境中,硅APD单光子探测器的暗计数会由于辐照损伤而持续增加,目前世界上已报道的在轨最好硅APD单光子探测器的暗计数增长速率约50cps/天,无法满足空间量子通信对单光子探测器暗计数的要求。随着光纤的和地面自由空间量子通信的发展和商业化应用,基于卫星平台的空间量子通信因无需量子中继即可以克服地球曲率限制,实现地球上任意两点间信息的无条件安全传输,受到了关注和重视。本论文正是以基于卫星平台的全球量子通信为背景,对其中的关键器件-单光子探测器进行了系统性的研究,包括辐照对单光子探测器的影响、单光子探测器的抗辐照措施以及如何提高系统的探测效率等,实现了基于硅APD的高抗辐照性的星载探测器和基于500μm大光敏面硅APD的地面高性能单光子探测器,并在墨子号量子卫星相关实验中作为关键器件完成了实验任务,同时探测器的自身性能和可靠性得到了有效验证。首先,分析了辐照对星载硅APD单光子探测器性能的影响,并在实验室中利用加速器产生的高能质子对探测器进行了辐照模拟测试,进一步定量评估了探测器在不同辐照剂量下探测器的性能退化。针对硅APD单光子探测器在辐照环境下暗计数性能退化问题,研究分析了几种提高硅APD抗辐照性能的措施,如金属屏蔽、超低工作温度、高温退火等,可以有效提高硅APD单光子探测器的抗辐照性能,预期在轨暗计数率增长率约0.89cps/天。其次,针对量子科学实验卫星的项目需求,设计研制了可应用于空间环境的星载硅APD单光子探测器,包括APD高压管理、工作温度控制、安装及散热等。随量子科学实验卫星于2016年8月16日发射升空后,星载硅APD单光子探测器作为关键器件,顺利完成了地-星量子隐形传态实验和星-地量子纠缠分发实验等量子科学实验卫星既定的科学任务;同时,我们对探测器的在轨性能进行了长时间测试。经过近2年的在轨测试,实现了约0.56cps/天的在轨超低暗计数增长速率。最后,针对空间量子通信中星地高衰减链路,研究设计了可用于提高地面接收耦合效率的基于500μm大光敏面硅APD的高性能探测器,在保证低暗计数、低后脉冲概率的条件下,提高了空间量子通信地面接收系统的性能。同时,通过降低工作温度和提高工作电压,实现了基于SLik硅APD的高效率单光子探测器,与同类的SPCM-AQRH-13商用硅APD单光子探测器相比,探测效率高了约10%,以满足一些特殊场景应用。本论文的创新之处在于:1.根据SLik硅APD在不同辐照剂量下的性能退化情况以及抗辐照措施,较准确地预测了 SLik硅APD单光子探测器的在轨暗计数增长率,约0.89cps/天。2.研究设计了抗辐照性能强的高可靠星载硅APD单光子探测器。通过近两年的长时间在轨测试,实现了在轨暗计数增长率约0.56cps/天的优越性能,比目前世界上已报道的最好在轨探测器要低约2个数量级。3.实现了成本低廉、暗计数低、具有致盲攻击监测能力的500μm大光敏面硅APD单光子探测器以及基于SLik硅APD的高探测效率单光子探测器。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨孟

导师: 彭承志,廖胜凯

关键词: 自由空间量子通信,探测器辐照,空间单光子探测器,地星量子隐形传态,大光敏面探测器

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413;TN918;TN312.7

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000208

总页数: 117

文件大小: 9018K

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