考虑到当光子传输速率过高时, 量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响, 因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先, 在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下, 探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明: 当光子传输速率过高时, 探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明: 探测器死时间的取值越大, 得到的安全密钥生成速率就越低, 安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间 τ 之间的关系为 4.2/τ。

为进一步提升量子密钥分发 (QKD) 技术的实用性和安全性, 挖掘 QKD 系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的 QKD 系统的攻击方式, 攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏 QKD 系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击, 提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案, 该方案通过使用 TDC 时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证, 该方案具备可行性。

硅基光电倍增管(SiPM)是由数百乃至数千单光子雪崩二极管(SPAD)组成的阵列，它具有增益高、易于集成到阵列以及抗干扰等优点，在激光雷达测距方面具有广泛的应用前景。本文分析了激光雷达测距中的信号和噪声模型，仿真计算了阳光下的SiPM模拟输出，通过高斯拟合得到相应的均值，并在SPAD接收光子受激发概率服从泊松分布的基础上，给出了背景光电子数在0.001个/ns~0.01个/ns，探测器死时间在5 ns~50 ns范围内受背景光影响的SiPM模拟输出计算公式，推导了目标探测概率表达式。在室外环境光下进行的激光测距探测概率实验结果与理论计算值相吻合。

量子密钥分配在实际应用中会受到有限探测器死时间的影响,当信号脉冲发送速率过大时,探测器测量失败的概率增加,安全密钥生成速率降低。对标记配对相干态光源下测量设备无关量子密钥分配的有限探测器死时间问题进行了分析。研究并仿真了安全密钥生成速率与信号发送速率的关系。考虑探测器死时间时,基于标记配对相干态光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率比基于弱相干光源的测量设备无关量子密钥分配协议的安全密钥生成速率高。分析了有限探测器死时间τ分别为50,100,150 ns时安全密钥生成速率的情况。结果表明,有限探测器死时间越大,安全密钥生成速率的极限值越低。安全密钥生成速率的极限与有限探测器死时间的关系为8.1×10 3/τ。

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要，建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置.首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率，其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量，最后系统分析了各测量不确定度的来源，实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%（k=2）.该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源，结合标准探测器，可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量.

紫外光通信作为新型通信方式，在短距离通信领域具有潜在的应用前景。紫外光通信的探测电路可分为线性模式和盖革模式，盖革模式探测电路在系统带宽和探测灵敏度等方面具有显著优点。本文研究了基于盖革模式雪崩光电二极管（ Avalanche Photodiode，APD）的单光子探测电路，实现对微弱紫外光信号的探测。采用主动淬灭快恢复电路，通过淬灭信号和恢复信号控制 APD阳极电位，从而减小死时间，提高系统的计数上限。实验发现，对于主动淬灭电路而言，当死时间过小时，淬灭时间和恢复时间除了受到淬灭信号和恢复信号控制外，还会受到电路中电容充放电时间的影响。本文从理论和实验两方面研究了电路中电容和电阻对死时间的影响，为进一步缩短死时间提供了理论指导。

本文旨在研制盖革模式电路并在两种紫外光照射下测试电路性能，为紫外通信提供数据参考。研制了适用于硅雪崩光电二极管（ APD）的主动、被动两种盖革模式电路，设计并实现了输出可调至300.0 V的高稳定直流高压偏置电源，实测纹波电压小于 20.4 mV，纹波系数小于 6.8×10－5。分别在可见盲和日盲两种紫外光照下，测试了被动盖革模式 APD的死时间、暗计数和光子计数，给出了被动盖革模式工作的较佳高压偏置范围；紫外光照下，被动盖革模式 APD的电路输出脉冲的死时间为 1.0 .s。基于被动盖革模式电路测试的参数，研制了主动盖革模式电路，实验结果表明：主动盖革模式电路输出脉冲的死时间为 102.0 ns，光子计数的上限由被动盖革模式的 1.0 MHz提高到主动盖革模式的 9.8 MHz。因此主动盖革模式电路在数据传输时有更高的传输带宽，预计可满足一些图像传输或者视频通信的基本要求。

为了实现单光子测距系统的最佳性能接收，积分时间一定，分别研究激光功率对该系统的信噪比和距离精度的影响。首先，基于单光子探测机理，引入雪崩触发概率到固定频率的多脉冲累计探测系统线性信噪比模型中，蒙特卡洛仿真和理论模拟一致验证随着激光发送功率的增大，信噪比先增大再趋于稳定数值。其次，建立距离值的方差理论模型，蒙特卡洛仿真研究随着激光功率的增大，距离值精度提高并且趋于稳定数值，死时间增大可降低时间记录点的方差。实验结果表明，在积分时间50 ms和高背景噪声下，发射功率400 μW左右信噪比可达到最大值，距离精度可达到6 mm的最优值。最终，理论和实验共同验证该系统可以实现单光子测距系统的信噪比和距离精度的最佳性能接收。

建立了光子计数器的模型, 对光子计数器的死区时间效应进行了理论分析和实际测量, 并提出了校正光子计数效应对微脉冲雷达信号影响的方法。利用马尔科夫链对微脉冲雷达的探测过程进行理论分析, 并利用MATLAB对死区时间对光子计数产生的影响进行了计算和分析, 描述了计数死区对探测结果产生的瞬态形态变化。在此基础上, 搭建了微脉冲激光雷达光子计数的测量平台, 实验验证了死区时间对于光子计数采集的影响。最后, 测量了不同光强下死区时间对探测结果的抑制情况, 给出了微脉冲激光雷达信号的校正方法。 基于提出的方法对真实微脉冲激光雷达信号进行了校正实验。实验结果表明: 在峰值功率为100 mW的405 nm激光照射下, 光子计数在采集频率100 MHz时的散射光计数效应减少了50%。文中的方法较好地解释了小尺寸目标的探测信号形态, 实现了对光子计数探测结果的校正。

单光子雪崩二极管是一种采用盖革模式的单光子探测器件。一旦触发后探测器需要一段时间来重启, 重启之后才能进行下一个光子事件的探测。重启所用时间(也叫死时间)的大小会影响探测器的光子计数分布。对单光子雪崩二极管的工作方式进行了数学建模, 研究死时间对探测器输出响应的影响, 推导出了在入射光子数服从泊松分布情况下探测器光子计数值的概率分布函数, 并采用蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明死时间会使探测器输出的光子计数值减小, 其分布会更加集中, 并且死时间越大, 入射光子速率越高,这种效应就越明显。