高速InGaAsInP单光子探测系统的研制.pdf

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1、中国科学技术大学硕士学位论高速InGaAs／InP单光子探测系统的研制作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：梁晓磊物理电子学金革教授二。一二年五月十曰文UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationforMaster’SdegreeDesignofHigh—-speedInGaAs／InPSingle··PhotonDetectorSystemAuthor’SName：Specialty：Supervisor：11●‘1-‘堂lmslaedtlme：XiaoleiL

2、iangPhysicalElectronicsProf．GeJinMay10m，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：冀啦轨一，节-7签字日期：塑!兰卫鱼土里乙一中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按

3、有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。嗽开口保密(——年)作者签名：瑟硇刍新签名：么扭签字日期：』幻止衅签字日期：j皇兰乜姐摘要量子力学和信息学的交叉，促进了一门新兴学科的诞生——量子信息学。它以量子力学的基本原理为依据，主要领域包括：量子计算，量子通信和量子密码学。其中，由于量子密码学提供了一种理论上无条件安全的

4、保密通信方式，对传统密码学提出了严重挑战，受到了人们的广泛关注。在量子通信系统研发中，关键器件的研制起着至关重要的作用。在这些关键器件研发中，单光子探测系统是处于核心地位的器件，其参数指标直接制约着量子通信系统的性能，其性能提升对于量子通信系统起着基础性的作用。实际上根据理论分析可知，单光子探测系统的工作频率将直接决定了量子密码系统的成码率以及最大安全距离。在本文的研究内容中，介绍了一种高速单光子探测系统的研制，并讨论了这种高速单光子探测系统对量子密码系统性能参数的改善。本文的第一章简要介绍了量子密码的基础知识，讨论了单光子

5、探测系统在量子密码系统中的作用，指出了单光子探测系统的性能直接制约了量子密码系统性能的提升。本文的第二章，详细介绍了单光子探测技术的研究历史和现状，对基于雪崩光电二极管的单光子探测和基于超导特性的单光子探测进行了讨论，并重点阐述了高速单光子探测的技术路线。在本文的第三章中，详细介绍了自行设计的高速单光子探测系统的研制，包括直流偏置，门控信号产生，雪崩信号调理等各个子功能模块，同时也设计了一个光学测试平台，方便探测系统各个参数的标定与测试。针对第三章中的设计，第四章详细介绍了各个子模块的电子学测试，在各项电子学测试正常的情况下

6、，测试了高速单光子探测系统的各项指标，包括探测效率，暗计数概率，后脉冲概率以及探测系统的时间分辨性能等。在本文的最后，介绍了在量子密码系统中的应用仿真结果，并与低速门控频率单光子探测器下的性能参数进行了对比。通过对比发现，应用这种高速单光子探测系统，量子密码系统在密钥率和最远传输距离方面都有了很大的提升，为下～代高速量子密码系统的实用化奠定了基础。本文的主要创新点有：1)使用DC／DC转换加滤波的方法，设计出了可以在O’80V可调的低纹波直流偏置电源。直流偏置纹波峰峰值1．8mV，RMS值为757uV。因为InGaAs／In

7、PAPD对偏压比较敏感，偏压的微小变化可以引起探测效率明显的变化。所以应用这种低纹波的电源，可以有效避免上述问题。摘要2)利用正弦门控与滤波加放大技术，很好的抑制了APD的后脉冲效应，在强背景信号中有效提取出微弱的雪崩信号，并在1．25GHz门控频率下取得了较低的暗计数概率和后脉冲概率。3)搭建了一个用于高速单光子系统性能参数测试的光学平台，可以反馈调节使光脉冲始终保持单光子水平，保证各项参数的稳定测试。关键词：InGaAs／InPAPD单光子探测正弦门控滤波技术量子密码II目录ABSTRACTQuantuminformat

8、icsisaCROSSsubjectbetweenquantummechanicsandinformationscience．Ittakesafundamentalprincipleofquantummechanicsasthebasisincludingquantumcomputatio