高效率硅單光子雪崩二級管探測系統(tǒng)的研究.pdf

1、信息科學按照“摩爾定律”高速發(fā)展了數十年進入21世紀后，由于傳統(tǒng)技術的物理局限性，正面臨著新的挑戰(zhàn)。為了突破發(fā)展瓶頸，量子信息技術利用量子態(tài)作為信息單元，可以突破經典信息系統(tǒng)的極限，將信息科學推向更廣闊的發(fā)展空間。量子信息技術最重要的基礎就是量子糾纏，目前利用多光子糾纏技術已經成功實現八光子糾纏態(tài)的制備。然而提高光子的收集效率是多光子糾纏技術中需要迫切解決的問題。作為多光子糾纏技術中核心器件之一——單光子探測器，其探測效率的高低對收集效

2、率起著決定性的作用。
　　常用的單光子探測器有光電信增管(PMT)，基于超導體材料的超導納米線探測器(SNSPD)和工作于蓋革模式的單光子雪崩二極管(SPAD)探測器。PMT的量子效率低，難以滿足高效率探測器的需求;SNSPD需要復雜的制冷系統(tǒng)，成本高而實用性差。SPAD是全固態(tài)結構的探測器，結構較為簡單、易于集成且量子效率高，幾乎是實用化量子信息系統(tǒng)的唯一選擇。對比基于Si的可見光波段SPAD探測器和基于InGaAs/InP的通

3、信波段SPAD探測器，Si-SPAD探測器有著較高的量子效率。然而真正實現高探測效率的性能，在探測系統(tǒng)的各個模塊上都有嚴格的要求。技術應用上的難點主要在于前端淬滅電路有足夠高的過壓以及后端雪崩信號提取電路對背景噪聲有足夠強的抑制。因此，對高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的研究對于多光子糾纏態(tài)制備乃至整個量子信息技術都有重要的意義。
　　論文的研究工作分為以下幾個部分:
　　(1)理解雪崩光電二極管(APD)的工作原理。APD是S

4、PAD探測器的核心元件，對APD工作原理的理解可以將SPAD探測器外部表現出的性能與內部的物理機制聯系在一起，從而為作者研究高性能的SPAD探測器奠定基礎。
　　(2)調研提高SPAD探測器性能的技術手段和具體實施的技術方案。針對高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的研究，分析技術方案實施的難點。SPAD探測系統(tǒng)的關鍵技術包含APD半導體工藝技術和電子學系統(tǒng)技術。通過調研了解到，貫穿型厚結Si-APD和門控淬滅技術是實現高效率單光子探測器

5、設計的有效方案，而產生高速高壓的門控信號和雪崩信號的提取是技術應用的難點。
　　(3)制定高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)的設計方案并實現各個模塊的功能。通過探測系統(tǒng)的總體設計，可以更深入的研究高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)各模塊的功能以及提高探測性能的有效途徑。通過對技術應用難點的突破，可以更深入的掌握設計高效率Si-SPAD探測器的技術路線，為以后的研究工作積累經驗。
　　(4)搭建測試平臺、測試作者研制的單光子探測系統(tǒng)并將測

6、試結果與同類型探測器的性能作對比，展示作者對高效率Si-SPAD探測系統(tǒng)研究工作的成果。利用測試的數據，進一步研究探測器的總體性能和系統(tǒng)各模塊性能的對應關系;通過性能對比，論證了作者研究方法和路線的正確性。
　　在課題研究中，做出的創(chuàng)新工作和取得的創(chuàng)新成果有:
　　(1)研制出了探測效率高達74.5％的Si-SPAD探測器，比目前多光子糾纏實驗中使用的商用探測器提高6％左右。對于十光子糾纏態(tài)制備，可以提高大約79％的收集效率