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单光子探测技术基础研究

作　者: 王志豪
导　师: 李政勇
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 量子光通信单光子探测雪崩光电二极管光电倍增管光脉冲
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 44次
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内容摘要

单光子探测是实现量子光通信的关键技术之一。本文主要针对单光子探测的核心器件雪崩光电二极管APD和光电倍增管PMT,在制冷、光子计数、以及光子干涉方面进行了较为深入的研究,主要研究内容及结论如下：首先,对InGaAs/InP雪崩光电二极管的红外单光子探测系统的制冷装置进行了改进,该制冷系统通过四级半导体制冷片降低温度,结合真空装置减少热交换,可以将APD工作温度降低到-44.5摄氏度。利用该装置获得了InGaAs-　APD模块(型号：APD050A)的低温伏安特性,结果表明,在-40摄氏度时该APD的雪崩电压为28.5伏左右。其次,详细测量了光电倍增管(PMT,型号：CR105)的阴极和阳极伏安特性、以及渡越时间等重要参数,实验测得所用PMT的渡越时间为76.6ns左右。进一步应用光子计数方法获得了PMT的脉冲高度分布图(PHD),比较全面地揭示出噪声和光信号的幅度关系,对实现高精密的单光子探测具有重要的参考价值。进而,分析PHD图示结果,选取甄别电平,并通过大量计数统计后,获得了5pW极弱光的光子泊松分布图。在以上工作基础上,成功进行基于脉冲干涉的光学相干性测量的实验,应用反馈稳定型光纤马赫-曾德干涉仪(MZI),结合压电陶瓷相移器,利用光脉冲干涉的方法成功测量出激光的相干长度。该方案不仅可以测量高相干性激光,而且可以测量低相干性脉冲,同时也为进一步深入研究量子干涉打好了基础。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 绪论  10-14
  1.1 引言  10
  1.2 单光子探测的研究现状  10-12
  1.3 单光子探测的实现方法  12
  1.4 本文研究的主要内容  12-14
2 单光子探测的原理与理论研究  14-23
  2.1 雪崩光电二极管APD  14-18
    2.1.1 APD的工作原理  14-15
    2.1.2 APD的特性参数  15-17
      2.1.2.1 雪崩电压  15-16
      2.1.2.2 量子效率与响应度  16-17
      2.1.2.3 暗电流与暗计数  17
    2.1.3 APD单光子探测的工作方式  17-18
      2.1.3.1 无源抑制(Passive quenching)  17-18
      2.1.3.2 有源抑制(Active quenching)  18
      2.1.3.3 门脉冲模式(Gated mode)  18
  2.2 光电倍增管PMT  18-23
    2.2.1 PMT的工作原理  19
    2.2.2 PMT的特性参数  19-21
      2.2.2.1 灵敏度和光谱响应度  20
      2.2.2.2 放大倍数(增益)  20-21
    2.2.3 PMT单光子计数系统的组成  21-23
3 基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的红外单光子探测  23-31
  3.1 研究方案与技术路线  23
  3.2 单光子探测器制冷部分的研究  23-27
    3.2.1 研究方案及原理  23-26
    3.2.2 实验结果及分析  26-27
  3.3 APD低温特性研究  27-31
    3.3.1 实验方案及原理  27-29
    3.3.2 实验结果及分析  29-31
4 基于光电倍增管PMT的可见光波段单光子探测  31-38
  4.1 PMT特性测量  31-34
    4.1.1 阴极与阳极伏安特性  31-33
    4.1.2 渡越时间的测量  33-34
  4.2 PMT的脉冲高度分布(PHD)的测量  34-37
  4.3 光子泊松分布统计  37-38
5 基于脉冲干涉的激光相干性测量  38-43
  5.1 论分析  38-39
  5.2 实验研究  39-40
  5.3 实验结果分析  40-43
参考文献  43-46
作者简历  46-48
学位论文数据集  48

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