吴晓薇 1杨雷 1,*展月英 1孙扬 1,2[ ... ]王强 1
作者单位
摘要
1 中国科学院空间应用工程与技术中心,北京 100094
2 中国科学院大学,北京 100094
激光通信是近年深空探测领域的研究热点之一。深空激光通信采用脉冲位置调制(PPM)提升通信能量效率,并使用单光子探测器以高效地接收信号。其中,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被广泛认可是最优选择之一。本文分析了SNSPD的死时间和抖动特性,以及高速脉冲信号的拖尾现象,对基于PPM-SNSPD调制探测方式的深空激光通信产生的影响,并计算了SNSPD在该体系下的光子计数特性。基于分析,提出一种偏移补偿保护时隙PPM符号同步算法。相较普通的保护时隙同步算法,所提算法能有效减少PPM-SNSPD体系下的同步误差,提升系统误码率。
自由空间光通信 深空激光通信 脉冲位置调制 单光子探测器 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706012
童启夏 1,2雷勇 1,2申向伟 1,2谌晨 1,2[ ... ]蔡善勇 3
作者单位
摘要
1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 量子信息芯片与器件重庆重点实验室,重庆 400060
3 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室,北京 100876
为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。
InGaAs/InP 单光子探测器 单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 光子探测效率 激光通信 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706011
作者单位
摘要
1 上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室,上海 200083
InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件,已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法;系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法;针对高频信号输出,总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题;展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。
雪崩光电二极管 InGaAs 单光子探测器 封装 
激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0900009
作者单位
摘要
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200241
单光子探测技术具有高灵敏度、低时间抖动、低功耗等独特优势,在激光测距和成像中的应用越来越广泛。基于此,提出一种低成本的高精度单光子测距技术。利用窄脉冲电路驱动激光二极管产生脉宽为160 ps的窄脉冲激光,利用多像素光子计数器研制时间抖动为417 ps的低时间抖动单光子探测器,降低系统的整体时间抖动,并搭建高精度单光子测距实验装置。测距实验结果表明,在2 m的测距量程内,单光子测距系统的距离测量精度可达370 μm@RMS。实验装置采用同轴光路设计,结构简单,易于集成,为实现小型化低功耗高精度单光子测距系统提供了一种可行性的解决方案。
激光测距 单光子探测器 亚毫米 光子计数 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512007
Ling-Dong Kong 1,2,*†Tian-Zhu Zhang 1,2Xiao-Yu Liu 1,2Hao Li 1,2[ ... ]Li-Xing You 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 Chinese Academy of Sciences (CAS), Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, National Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai, China
2 CAS Center for Excellence in Superconducting Electronics, Shanghai, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, Beijing, China
Efficient and precise photon-number-resolving detectors are essential for optical quantum information science. Despite this, very few detectors have been able to distinguish photon numbers with both high fidelity and a large dynamic range, all while maintaining high speed and high timing precision. Superconducting nanostrip-based detectors excel at counting single photons efficiently and rapidly, but face challenges in balancing dynamic range and fidelity. Here, we have pioneered the demonstration of 10 true photon-number resolution using a superconducting microstrip detector, with readout fidelity reaching an impressive 98% and 90% for 4-photon and 6-photon events, respectively. Furthermore, our proposed dual-channel timing setup drastically reduces the amount of data acquisition by 3 orders of magnitude, allowing for real-time photon-number readout. We then demonstrate the utility of our scheme by implementing a quantum random-number generator based on sampling the parity of a coherent state, which guarantees inherent unbiasedness, robustness against experimental imperfections and environmental noise, as well as invulnerability to eavesdropping. Our solution boasts high fidelity, a large dynamic range, and real-time characterization for photon-number resolution and simplicity with respect to device structure, fabrication, and readout, which may provide a promising avenue towards optical quantum information science.
superconducting microstrips single-photon detector photon-number resolution quantum random number 
Advanced Photonics
2024, 6(1): 016004
吕超林 1,*†尤立星 1,2,**†覃俭 1徐光照 1[ ... ]史经浩 1
作者单位
摘要
1 赋同量子科技(浙江)有限公司,浙江 嘉兴 314100
2 集成电路材料全国重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050
自2001年被发明以来,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)迅速成长为近红外波段的明星光子探测器,其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%,暗计数率低于1 cps(counts per second),时间抖动优于10 ps,探测速率高于1 GHz,并广泛应用在量子信息领域。近年来,研究人员开始将SNSPD引入到生物领域,以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标,并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。
超导纳米线单光子探测器 共聚焦显微镜 单线态氧检测 漫反射光谱 荧光寿命成像 
激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0104002
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室,西安 710119
2 中国科学院大学 光电学院,北京 100049
基于微通道板的单光子探测器具有体积小、结构紧凑等优点,将其与位置灵敏阳极相结合能够准确记录光子到达的时间信息及位置信息。通过分析延迟线阳极探测器的原理,提出一种基于印刷电路板制备的新型二维交叉延迟线阳极。与传统的电荷直接收集方式不同,该阳极基于电荷感应技术,由高阻感应层代替阳极收集电子,消除了阳极电子再分配带来的噪声。搭建了一套基于交叉延迟线阳极的实验系统并对研制的位敏阳极探测器进行测试,测试结果表明探测器空间分辨率最优为107 um,暗计数为0.23 counts/(cm2?s)。研制的新型交叉延迟线阳极为大面阵单光子成像探测应用奠定了基础。
延迟线阳极 单光子探测器 微通道板 电荷感应技术 Delay line anode Single photon detector Microchannel plate Charge induction technology 
光子学报
2023, 52(12): 1204001
作者单位
摘要
1 南京信息工程大学 电子与信息工程学院,南京 210044
2 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室,上海 200050
3 赋同量子科技(浙江)有限公司,浙江 嘉兴 314100
4 无锡学院 电子信息工程学院,江苏 无锡 214105
针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55 ps,测量数据呈线性,100 ns以内时间精度低于36 ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100 ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。
超导纳米线单光子探测器 时间抖动 时间数字转换 现场可编程门阵列 superconducting nanowire single photon detector time jitter time-to-digital conversion field-programmable gate array 
半导体光电
2023, 44(3): 376
作者单位
摘要
1 国网浙江省电力有限公司金华供电公司, 浙江 金华 321000
2 国网浙江省电力有限公司东阳供电公司, 浙江 东阳322100
3 科大国盾量子技术股份有限公司, 安徽 合肥 230088
在量子密钥分发系统中,强光致盲攻击利用单光子探测器在实际工作中可能存在因强光导致的线性探测模式, 实现对单光子探测器输出0或1的控制, 从而实施密钥窃取。针对前人提出的新型脉冲光致盲攻击方案可能存在的漏洞, 提出了一种基于分光检测的脉冲光致盲攻击防御方案。在现行通过检测器件工作电流大小来判断是否有强光攻击存在的防御措施基础上, 该方案在单光子探测器被致盲之前实现强脉冲光的100%检测, 从而关闭脉冲光致盲攻击的检测漏洞, 提升量子密钥分发系统的安全性。
量子信息 量子密钥分发 单光子探测器 致盲攻击 脉冲光致盲攻击 quantum information quantum key distribution single-photon detector blinding attack pulse illumination attack 
量子电子学报
2023, 40(5): 719
作者单位
摘要
济南量子技术研究院量子探测与波导器件实验室,山东 济南 250101
转换效率是周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的主要性能指标,其与温度具有很强的关联性。受限于工艺问题,波导各个通道之间的一致性很难保证。提出一种多通道波导的温度自动控制方法,该方法通过FPGA芯片获取与多通道波导对应的多个单光子探测器探测到的光子数,并通过相应均衡算法来处理各个通道的光子数,从而确定多通道波导的最佳温度工作点,达到自动调节波导温度的目的。通过FPGA实现半导体制冷片(TEC)驱动控制、具有主动淬灭和快速恢复功能的单光子探测器,并通过均衡算法实现多通道波导温度的自动控制,实现探测效率更均匀的多通道上转换单光子阵列探测器,极大地减少前期人力投入,避免人为因素导致的误差。
周期极化铌酸锂(PPLN) 多通道PPLN波导 单光子阵列相机 FPGA 单光子探测器 
激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1706006

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