石家莊學(xué)院碩士學(xué)位論文全光纖關(guān)聯(lián)光子對(duì)標(biāo)定通信波段單光子偵測(cè)器量子效率的實(shí)驗(yàn)研究姓名：****請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：光學(xué)工程指導(dǎo)班主任：**英單光子偵測(cè)器在計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)及光電測(cè)量領(lǐng)域，尤其是在未來的量子通訊領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，它早已成為各國(guó)光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題。量子效率作為單光子偵測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)，怎樣對(duì)其進(jìn)行精確標(biāo)定就成為一個(gè)具有重要意義的研究課題。傳統(tǒng)的標(biāo)定方式須要一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)的光源或精度更高的標(biāo)準(zhǔn)偵測(cè)器，這限制了標(biāo)定的復(fù)現(xiàn)性和精度的有效提升。２０世紀(jì)８０年代，研究者提出一種不依靠任何參考標(biāo)準(zhǔn)也不涉及單光子偵測(cè)器其它指標(biāo)的絕對(duì)標(biāo)定方式，就是借助量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)來進(jìn)行標(biāo)定。目前，單光子偵測(cè)器量子效率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中使用的都是晶體熱阻下轉(zhuǎn)換過程形成的關(guān)聯(lián)光子對(duì)，并且這些關(guān)聯(lián)光子對(duì)在標(biāo)定過程中有許多不足之處。與之相比，近些年來出現(xiàn)的基于光纖四波濾波過程形成的關(guān)聯(lián)光子對(duì)就具有很大優(yōu)勢(shì)。為此，‘本研究小組提出借助光纖四波濾波形成的關(guān)聯(lián)光子對(duì)來對(duì)單光子偵測(cè)器的量子效率進(jìn)行標(biāo)定，這些方式具有提升檢測(cè)結(jié)果的精確度及實(shí)際應(yīng)用的潛力。本論文首先闡述了單光子偵測(cè)器量子效率標(biāo)定在單光子偵測(cè)中的意義，之后介紹了借助量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)標(biāo)定單光子偵測(cè)器量子效率的技巧，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了借助晶體形成的關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的不足之處，之后，詳盡論述了基于光纖形成的關(guān)聯(lián)光子對(duì)絕對(duì)標(biāo)定單光子偵測(cè)器的理論原理。
最后介紹了實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了剖析。在綜合考慮傳輸效率及各類耗損后，測(cè)得偵測(cè)器對(duì)１５５０ｎｍ通信波段的光的量子效率約為１３．７４％，論文中還對(duì)影響實(shí)驗(yàn)的拉曼光子和單通道帶寬進(jìn)行了比較剖析。關(guān)鍵詞：量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)色散位移光纖單光子偵測(cè)器標(biāo)定量子效率ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｖａｒｉｏｕｓｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，ｐｈｏｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ａｓａｃｒｕｃｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｔｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｅｃｏｍｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍ．ＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｅｅｄｐｒｉｍａｒｙｓｔａｎｄａｒｄｓｗｈｉｃｈａｒｅｂａｓｅｄｏｎａｂｓｏｌｕｔｅＳＯＵｒＣｅｓｏｒｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｉｎｔｈｅ１９８０ｓ，ａｎｅｗｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｈａｄｂｅｅｎｒｅｐｏｒｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｓ．Ｔｈｉｓｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙａｂｓｏｌｕｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｆａｎｙｏｔｈｅｒｓｔａｎｄａｒｄｓｏｒｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｉｎａｎｄｉｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇｆｏｒｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｕｐｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ‘ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｓｕｓｅｄｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｆｒｏｍｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎｃｒｙｓｔａｌｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓｍａｎｙｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｅｓｗｉｔｈｉｔｓｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ，ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｓｆｒｏｍｆｏｕｒｗａｖｅｍｉｘｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｈａｖｅｍａｎｙｍｅｒｉｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｅｗａｂｓｏｌｕｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｄｅｔｅｃｔｏｒｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｕｓｉｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｓｆｒｏｍｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｈｉｆｔｅｄｆｉｂｅｒｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂｙｏｕｒｒｅｓｅａｒｃｈｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓａｒｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｉｍｐｒｏｖｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｒｅａｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ＦｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅＳＰＤ．Ｔｈｅｓｅｃｏｎｔｅｘｔｓａｌｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｏｕｒｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｌｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｌａｔｅｓｔａｄｖａｎｃｅｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄａｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｈｅｒｅ：ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｉｄｅａｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓａｌｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｐａｉｒｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ａｎａｂｓｏｌｕｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ａｎｄｉｔｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｇｅｔｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅＳＰＤａｔ１５５０ｎｍａｂｏｕｔ１３．７４％．ＳｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｆｉｌｔｅｒｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｔｒｉｇｇｅｒｃｈａｎｎｅｌａｎｄＤＵＴｃｈａｎｎｅｌａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｑｕａｎｔｕｍｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｎｐａｉｒｓ，Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｈｉｆｔｅｄｆｉｂｅｒ（ＤＳＦ），ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ＱｕａｎｔｕｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ獨(dú)創(chuàng)性申明本人申明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中非常加以標(biāo)明和致謝之處外，論文中不包含其他人早已發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。
與我一齊工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明晰的說明并表示了歉意。學(xué)位論文作者簽名茲孟欏簽字日期．學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解基洼盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)苤盜態(tài)堂可以將學(xué)位論文的全部或部份內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用翻印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借書。同意中學(xué)向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的打印件和c盤。（保密的學(xué)位論文在揭秘后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者虢砼杰帶簽字日期：Ａ鐘年參月薌日導(dǎo)師簽名：第一章總論第一章總論本章簡(jiǎn)略介紹單光子偵測(cè)器及其量子效率標(biāo)定的意義，對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)定方式、關(guān)聯(lián)光子對(duì)標(biāo)定方式進(jìn)行了比較，回顧了基于晶體形成關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)況和這些標(biāo)定方式具有的優(yōu)勢(shì)和不足，明晰了本課題的研究意義，最后對(duì)文章結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)略說明。１．１單光子偵測(cè)器及其量子效率標(biāo)定的意義單光子偵測(cè)技術(shù)是量子保密通訊的核心技術(shù)，同時(shí)在高幀率的波譜檢測(cè)、非破壞性物質(zhì)剖析、高速現(xiàn)象測(cè)量、精密剖析、大氣測(cè)污、生物發(fā)光、放射偵測(cè)、高能化學(xué)、天文對(duì)焦、光頻域反射（ＯＴＤＲ）、量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)（ＱＩＯ）等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用【ｌｌ。
目前，單光子偵測(cè)使用的元件主要有光電倍增管（ＰＭＴ）和雪崩光電晶閘管（ＡＰＤ）兩種。光電倍增管是借助外光電效應(yīng)來偵測(cè)光訊號(hào)的電真空元件。雪崩光電二級(jí)管是借助內(nèi)光電效應(yīng)偵測(cè)光訊號(hào)的元件，在ＡＰＤ兩端加上反偏電流，光子被ＡＰＤ的吸收層吸收并形成光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下步入用盡層并被加速，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)與晶格發(fā)生碰撞形成新的電子空穴對(duì)，新的電子空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下被加速并再度與晶格發(fā)生碰撞形成更多的電子空穴對(duì)，這么反復(fù)產(chǎn)生雪崩倍增，將訊號(hào)電壓放大。其中ＰＭＴ具有增益較高，暗電壓比ＡＰＤ小的優(yōu)點(diǎn)，但容積大，須要高的偏壓，通常應(yīng)用于對(duì)容積要求不太高和超紫外及可見光環(huán)境中。在近紅外波段，ＰＭＴ已難以偵測(cè)，而ＡＰＤ則有較大優(yōu)勢(shì)。ＡＰＤ按材料結(jié)構(gòu)不同，適用于不同的波長(zhǎng)范圍，硅和鍺ＡＰＤ已用于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的偵測(cè)，而用于近紅外波長(zhǎng)的ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ實(shí)驗(yàn)研究已有很大進(jìn)展。ＡＰＤ有較高的量子效率，與ＰＭＴ相比容積很小且不需要太高的展寬，對(duì)環(huán)境要求較低，是目前單光子偵測(cè)領(lǐng)域最有優(yōu)勢(shì)的偵測(cè)器。但其響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間較慢，因?yàn)闊嵩胍艏昂竺}沖造成暗計(jì)數(shù)率較高，因此計(jì)數(shù)率相對(duì)較低。雪崩光電晶閘管用于單光子偵測(cè)，一般在蓋革模式（Ｇｅｉｇｅｒｍｏｄｅ）下工作，即反向展寬低于雪崩電流的工作方法。
在“蓋革模式＂下，為了偵測(cè)到下一個(gè)光子，第一章總論須要一個(gè)抑制電路來抑制雪崩，抑制電路將ＡＰＤ兩端的電壓降到雪崩電流之下，因而使雪崩停止。而后再將工作電流恢復(fù)到雪崩電流之上，等待下一次雪崩。抑制雪崩的時(shí)間被稱為“死時(shí)間＂，為了提升偵測(cè)速度，須要盡量減少“死時(shí)間”。另外，還須要用后置放大器對(duì)從ＡＰＤ輸出的電脈沖進(jìn)行放大和鑒定，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄和處理。單光子偵測(cè)器的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)是量子效率，因?yàn)閱喂庾觽蓽y(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，早已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一，因而鍺與量子通訊，對(duì)單光子偵測(cè)器的量子效率的標(biāo)定工作有著十分重要的意義。據(jù)悉，單光子偵測(cè)器的量子效率還與實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)環(huán)境等許多誘因有關(guān)，例如在宣布式全光纖單光子源的實(shí)驗(yàn)中，偵測(cè)器的量子效率對(duì)于獲得單光子源的個(gè)別參數(shù)是十分重要的，因而須要當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)單光子偵測(cè)器的量子效率進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)際中鍺與量子通訊，因?yàn)橹谱霾牧媳旧硖攸c(diǎn)等誘因，入射到偵測(cè)器的光子并不一定都能造成它的響應(yīng)，而是以一定的概率輸出光電流訊號(hào)。為此，單光子偵測(cè)器的量子效率可以定義為：光子入射到偵測(cè)器以后，形成的光子計(jì)數(shù)與入射光子數(shù)之比。已有報(bào)導(dǎo)，在１５５０ｎｍ通信波段偵測(cè)器的量子效率已然達(dá)到３０．４０％，但典型的量子效率為１０％左右【２Ｊ。
傳統(tǒng)的單光子偵測(cè)器量子效率標(biāo)定方式一般采用基于幅射源和基于偵測(cè)器兩種方式，它們的共同點(diǎn)是須要構(gòu)建高精度的中級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及直到用戶的標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈。標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈保證了各類傳感的響應(yīng)可以追溯到一個(gè)共同基準(zhǔn)，但同時(shí)也限制了標(biāo)準(zhǔn)工程的可復(fù)現(xiàn)性和精度的有效提升，且因?yàn)橐勒詹煌亩?biāo)要求設(shè)計(jì)傳遞鏈，不但降低了定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，還導(dǎo)致精度隨傳遞環(huán)節(jié)的降低而逐級(jí)降低。從國(guó)外外的研究結(jié)果看，標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程是限制定標(biāo)精度有效提升的困局１３Ｊ。從提升精度的角度出發(fā)，希望偵測(cè)器的定標(biāo)構(gòu)建在一種可在任何時(shí)間和地點(diǎn)確切再現(xiàn)的客觀數(shù)學(xué)過程上，而不依賴于某個(gè)偵測(cè)器或某種傳遞過程。近些年來，出現(xiàn)了一種新的標(biāo)定方式，即借助量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)絕對(duì)標(biāo)定單光子偵測(cè)器的量子效率，這為實(shí)現(xiàn)“無標(biāo)準(zhǔn)傳遞”定標(biāo)提供了極好的手段【３】。第一章總論１．２量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)絕對(duì)標(biāo)定單光子偵測(cè)器量子效率本小節(jié)首先對(duì)量子關(guān)聯(lián)及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后給出了量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)標(biāo)定偵測(cè)器量子效率的基本原理和借助晶體中關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行標(biāo)定的方式，對(duì)其研究現(xiàn)況進(jìn)行了剖析，強(qiáng)調(diào)其優(yōu)勢(shì)和不足，最后，對(duì)本標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用的關(guān)聯(lián)光