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超导纳米线单光子探测超级百万捕鱼介绍



单光子探测超级百万捕鱼普遍用于通讯、量子信息、荧光和拉曼光谱学等领域,特别是量子信息计数和微光探测超级百万捕鱼很关键的器件之一。目前,可用的单光子探测器件有:光电倍增管(PMT),工作在盖革模式下的雪崩光电二级管(APD)等。在400至900nm光波段,以硅APD为敏感元件的单光子探测器性能良好,暗计数小于25cps,量子效率在650nm附近可高达到70%。但由于带隙宽度的限制,硅APD对波长1微米以上的光没有响应。在近红外光波段(1100~1650nm),目前性能很好的是基于铟镓砷()APD的单光子探测器,其量子效率在1.55μm波长处能达约25%,暗计数约10^3cps左右。总体而言,不论光电倍增管还是基于APD的单光子探测器,其量子效率、暗计数等性能远不能满足量子信息计数发展的需要,特别是针对所谓的线性量子计算,对单光子探测器性能要求更高。即使在传统的光纤通信和荧光光谱领域的应用,对单光子探测器的性能提高也非常迫切。可是传统的单光子探测器的性能已基本达到极限,很难再有本质的提高。

2001年,俄罗斯Scontel公司基于超导纳米线超级百万捕鱼研发了超导单光子探测器(SSPD)改变了这一现状。此系统拥有1-6个独立的通道,它的敏感区域为折叠的条状NbN薄膜。探测波长范围600~1700nm,几乎完全覆盖APD 探测范围;最大探测效率>30%,已达到传统铟镓砷APD效率水平;暗计数<10/s,死时间<10ns,最大计数率>200M/s,使它拥有更高的探测速度和精度。这些性能比常规单光子探测器有了质的飞跃。

超导纳米线单光子探测器具备的单光子灵敏度低、低时间抖动,锻恢复时间和无需门电路的优势使它在光子超级百万捕鱼前沿领域有着广泛应用:
1.量子密钥分发(QKD)

对于光纤长距离QKD,1550nm波长的高性能探测超级百万捕鱼是非常关键的。暗计数直接影响误码率,低暗计数和低时间抖动的SSPD确保光子到达时间可以被精确测量。另外QKD系统因为传统探测器存在安全漏洞易遭受到“量子攻击“,也可以使用SSPD防范。

2.光量子计算
量子计算方案对单光子探测超级百万捕鱼提出了严格要求,需要探测器具备近似100%探测效率和光子数分辨能力。随着SSPD性能的稳步提升,SSPD已经开始被应用于量子信息科学(QIS)原理验证试验,检测多光子过程,在这些高难度试验中实现通讯波长的高符合计数。

3.量子光源表征
SSPD结合超快泵浦光源和TCSPC电路,可以用来开展单原子和单分子两类单光子源特性测试。SSPD的低时间抖动和红外敏感性使得我们能够在波长达到2微米的情况下仍能分辨更短的光致发光寿命。SSPD可以被用来发展和表征各种类型的通信波长光子对源。

4.经典太空对地通信
空间对地通信是通信波长低时间抖动探测器的需求的一个重要领域。SSPD可以作为1550nm地面接收器,实现一定激光功率条件下航天探测器到地面的高效数据传输。

5.集成电路检测
半导体工业对CMOS逻辑电路芯片故障的实用化检测和诊断超级百万捕鱼也可以使用SSPD。在CMOS器件中,当开关发生时,饱和模式下的FETs会在导电沟道的夹断区产生一个很强的电场,这使得电子具有很高的能量。电子在损失能量时会发射电子。随着晶体管尺寸的减小,门尺寸也在减小。因此偏置电压也在减小,导致长波长光子发射,发射光子通常在近红外波段。利用SSPD实现对这些单光子的检测使得半导体产业可以分析CMOS期间的时序参数。

6.分布式光纤温度测试
由于SSPD具有通信波长单光子灵敏度、低暗计数、低时间抖动、无需门电路工作的特性,它可以在光纤传感应用中得到使用。当光脉冲通过光纤时,由于发生拉曼散射,会散射产生分别比泵浦波长长和短的微弱散射光。SSPD可以检测这种单模光纤中出现的非常微弱的背向散射光信号。通过比较这种不同波长拉曼信号的强度比值,可以得出温度信息。结合泵浦光脉冲和低时间抖动SSPD以及TCSPC电路提供的定时信息,我们可以获得光纤不同长度位置的温度信息。

7.飞行时间激光测距
SSPD可以用来提升激光雷达(LIDAR)系统的量程和性能。SSPD还可能在更大范围的大气遥感应用中使用。