石家莊學院碩士學位論文全光纖關聯光子對標定通信波段單光子偵測器量子效率的實驗研究姓名：****請學位級別：碩士專業：光學工程指導班主任：**英單光子偵測器在計量技術領域，科學實驗及光電測量領域，尤其是在未來的量子通訊領域有著重要的應用，它早已成為各國光電子學界重點研究的課題。量子效率作為單光子偵測器的一個重要參數，怎樣對其進行精確標定就成為一個具有重要意義的研究課題。傳統的標定方式須要一個參考標準，即標準的光源或精度更高的標準偵測器，這限制了標定的復現性和精度的有效提升。２０世紀８０年代，研究者提出一種不依靠任何參考標準也不涉及單光子偵測器其它指標的絕對標定方式，就是借助量子關聯光子對的關聯特點來進行標定。目前，單光子偵測器量子效率標定實驗中使用的都是晶體熱阻下轉換過程形成的關聯光子對，并且這些關聯光子對在標定過程中有許多不足之處。與之相比，近些年來出現的基于光纖四波濾波過程形成的關聯光子對就具有很大優勢。為此，‘本研究小組提出借助光纖四波濾波形成的關聯光子對來對單光子偵測器的量子效率進行標定，這些方式具有提升檢測結果的精確度及實際應用的潛力。本論文首先闡述了單光子偵測器量子效率標定在單光子偵測中的意義，之后介紹了借助量子關聯光子對標定單光子偵測器量子效率的技巧，同時強調了借助晶體形成的關聯光子對進行標定實驗的不足之處，之后，詳盡論述了基于光纖形成的關聯光子對絕對標定單光子偵測器的理論原理。
最后介紹了實驗裝置與實驗過程，并對實驗結果進行了剖析。在綜合考慮傳輸效率及各類耗損后，測得偵測器對１５５０ｎｍ通信波段的光的量子效率約為１３．７４％，論文中還對影響實驗的拉曼光子和單通道帶寬進行了比較剖析。關鍵詞：量子關聯光子對色散位移光纖單光子偵測器標定量子效率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獨創性申明本人申明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中非常加以標明和致謝之處外，論文中不包含其他人早已發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構的學位或證書而使用過的材料。
與我一齊工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明晰的說明并表示了歉意。學位論文作者簽名茲孟欏簽字日期．學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解基洼盤堂有關保留、使用學位論文的規定。特授權苤盜態堂可以將學位論文的全部或部份內容編入有關數據庫進行檢索，并采用翻印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借書。同意中學向國家有關部門或機構送交論文的打印件和c盤。（保密的學位論文在揭秘后適用本授權說明）學位論文作者虢砼杰帶簽字日期：Ａ鐘年參月薌日導師簽名：第一章總論第一章總論本章簡略介紹單光子偵測器及其量子效率標定的意義，對傳統標定方式、關聯光子對標定方式進行了比較，回顧了基于晶體形成關聯光子對進行標定實驗的現況和這些標定方式具有的優勢和不足，明晰了本課題的研究意義，最后對文章結構進行了簡略說明。１．１單光子偵測器及其量子效率標定的意義單光子偵測技術是量子保密通訊的核心技術，同時在高幀率的波譜檢測、非破壞性物質剖析、高速現象測量、精密剖析、大氣測污、生物發光、放射偵測、高能化學、天文對焦、光頻域反射（ＯＴＤＲ）、量子秘鑰分發系統（ＱＩＯ）等領域有著廣泛的應用【ｌｌ。
目前，單光子偵測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來偵測光訊號的電真空元件。雪崩光電二級管是借助內光電效應偵測光訊號的元件，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，光電子在電場的作用下步入用盡層并被加速，高速運動時與晶格發生碰撞形成新的電子空穴對，新的電子空穴對在電場作用下被加速并再度與晶格發生碰撞形成更多的電子空穴對，這么反復產生雪崩倍增，將訊號電壓放大。其中ＰＭＴ具有增益較高，暗電壓比ＡＰＤ小的優點，但容積大，須要高的偏壓，通常應用于對容積要求不太高和超紫外及可見光環境中。在近紅外波段，ＰＭＴ已難以偵測，而ＡＰＤ則有較大優勢。ＡＰＤ按材料結構不同，適用于不同的波長范圍，硅和鍺ＡＰＤ已用于較長波長的偵測，而用于近紅外波長的ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ實驗研究已有很大進展。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，對環境要求較低，是目前單光子偵測領域最有優勢的偵測器。但其響應恢復時間較慢，因為熱噪音及后脈沖造成暗計數率較高，因此計數率相對較低。雪崩光電晶閘管用于單光子偵測，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，為了偵測到下一個光子，第一章總論須要一個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到雪崩電流之上，等待下一次雪崩。抑制雪崩的時間被稱為“死時間＂，為了提升偵測速度，須要盡量減少“死時間”。另外，還須要用后置放大器對從ＡＰＤ輸出的電脈沖進行放大和鑒定，最后對信號進行記錄和處理。單光子偵測器的一個關鍵性能參數是量子效率，因為單光子偵測器在高技術領域的重要地位，早已成為各發達國家光電子學界重點研究的課題之一，因而鍺與量子通訊，對單光子偵測器的量子效率的標定工作有著十分重要的意義。據悉，單光子偵測器的量子效率還與實驗條件，實驗環境等許多誘因有關，例如在宣布式全光纖單光子源的實驗中，偵測器的量子效率對于獲得單光子源的個別參數是十分重要的，因而須要當時的實驗條件下對單光子偵測器的量子效率進行標定。實際中鍺與量子通訊，因為制做材料本身特點等誘因，入射到偵測器的光子并不一定都能造成它的響應，而是以一定的概率輸出光電流訊號。為此，單光子偵測器的量子效率可以定義為：光子入射到偵測器以后，形成的光子計數與入射光子數之比。已有報導，在１５５０ｎｍ通信波段偵測器的量子效率已然達到３０．４０％，但典型的量子效率為１０％左右【２Ｊ。
傳統的單光子偵測器量子效率標定方式一般采用基于幅射源和基于偵測器兩種方式，它們的共同點是須要構建高精度的中級標準以及直到用戶的標準傳遞鏈。標準傳遞鏈保證了各類傳感的響應可以追溯到一個共同基準，但同時也限制了標準工程的可復現性和精度的有效提升，且因為要依照不同的定標要求設計傳遞鏈，不但降低了定標系統設計難度，還導致精度隨傳遞環節的降低而逐級降低。從國外外的研究結果看，標準傳遞過程是限制定標精度有效提升的困局１３Ｊ。從提升精度的角度出發，希望偵測器的定標構建在一種可在任何時間和地點確切再現的客觀數學過程上，而不依賴于某個偵測器或某種傳遞過程。近些年來，出現了一種新的標定方式，即借助量子關聯光子對絕對標定單光子偵測器的量子效率，這為實現“無標準傳遞”定標提供了極好的手段【３】。第一章總論１．２量子關聯光子對絕對標定單光子偵測器量子效率本小節首先對量子關聯及其應用進行了簡單介紹，然后給出了量子關聯光子對標定偵測器量子效率的基本原理和借助晶體中關聯光子對進行標定的方式，對其研究現況進行了剖析，強調其優勢和不足，最后，對本標定實驗采用的關聯光