用于自由空間光學(xué)技術(shù)的單光子探測器

基于自由空間光學(xué)（FSO）系統，科研人員已經(jīng)成功采用此技術(shù)完成鏈路通信。而任何通信系統都需要鏈路預算和系統噪聲估計。根據應用，通信信道通過(guò)大氣或大氣與空間的組合來(lái)實(shí)現。當信號通過(guò)通信信道傳輸時(shí)，由于不同的物理效應而衰減，從而導致光損耗。無(wú)論信道是在真空還是在大氣中建立，都會(huì )發(fā)生衰減。在真空中，衰減是由發(fā)散引起的。在大氣中，衰減是由于吸收和散射，而吸收和散射又取決于波長(cháng)和傳輸介質(zhì)（雨、霧等）。FSO系統中存在的噪聲可能是由于系統組件的固有噪聲或背景輻射引起的。當在對鏈路信號能量要求不高時(shí)，可以采用對性能要求相對不高的面陣探測器進(jìn)行適配。當激光通信鏈路的光信號很弱，需要在低功率下實(shí)現通信，那么就需要更靈敏的接收探測器裝置。目前，在通過(guò)在接收器處使用單光子探測器（SPD），可以在高光損耗狀態(tài)下運行FSO系統。使用SPD，到達探測器的信號可以衰減到單光子水平，并且仍然可以進(jìn)行檢測。

單光子探測器（SPD）是FSO通信系統中檢測低強度信號的一種很好的解決方案。正如其名稱(chēng)所述，SPD能夠以*的計時(shí)精度（低至50ps）檢測單個(gè)光子的存在。這種高定時(shí)精度有助于區分同步信號和隨機噪聲。

圖1 量子通信測試鏈路

上圖為一個(gè)簡(jiǎn)單通信協(xié)議的測試設置，主要由ID300（激光器）、ID220（單光子探測器）以及ID800（計數器）構成（鏈路所用設備已有升級產(chǎn)品）。

可以使用脈沖位置調制（PPM）對單個(gè)光子上編碼，簡(jiǎn)單編碼發(fā)送激光脈沖表示“1，不發(fā)送激光脈沖表示“0"。例如，可以每2µs發(fā)送一個(gè)比特，實(shí)現500kbps的比特率。由于可以同步發(fā)送，任何超出預期時(shí)間的檢測都可以標記為噪聲，從而消除由于噪聲引起的錯誤。

IDQ采用了圖1的鏈路對這一類(lèi)型的編碼進(jìn)行了測試，結果如圖2所示：

圖2 4位編碼測試示意圖

由圖2可看出，在特定時(shí)間寬度內接收到的單光子信號。

當然，根據不同的測試需要，還需要選擇適合項目鏈路探測器的運行方式，如門(mén)控式、自由運行式及超導納米線(xiàn)式的探測器。IDQ公司具有多款運行方式的單光子探測器，波段分布在可見(jiàn)光和近紅外光，可根據項目需求選擇更適合實(shí)驗的一種產(chǎn)品。

IDQ的ID100系列由緊湊且價(jià)格低廉的單光子探測器組成,時(shí)間分辨率(適用于TCSPC應用)和低死區時(shí)間?；谠诳梢?jiàn)光譜范圍內敏感的硅雪崩光電二極管，該模塊能夠檢測低至單光子水平的微弱光信號（可見(jiàn)光譜范圍為:350 - 900 nm）。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆350-900nm

◆時(shí)間分辨率（40 ps）

◆低死區時(shí)間（45 ns）

◆小IRF偏移@高計數率下

◆常規，標準和超低噪音等級

◆峰值光子探測在λ= 500 nm處

◆有效面積直徑為20μm或50μm

◆自由空間或光纖耦合

◆不受強光照射損壞

◆沒(méi)有雙穩態(tài)

IDQ的ID120系列由緊湊且價(jià)格低廉的單光子探測器組成，其基于一個(gè)可靠的硅雪崩光電二極管，在可見(jiàn)光譜范圍內非常敏感。ID120系列的新型探測器在可見(jiàn)光波段的紅色區域和超高有效區域(紅外)具有較高的探測效率。這種新型探測器作為自由空間模塊，無(wú)源淬火，最大探測效率在800nm左右。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆量子效率為60％@650nm

◆量子效率為80％@800nm

◆可調量子效率

◆可調二極管溫度

◆可調死時(shí)間

◆通用雙輸出

◆Labview接口

◆C-mount，SM1，cage兼容

◆集成電子計數器

ID Qube NIR單光子雪崩探測器模塊是在電信波長(cháng)單光子檢測方面的突破。ID Qube可提供精確可靠的單光子檢測，具有高量子效率、低時(shí)間抖動(dòng)和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。它不僅在單光子檢測上是一種經(jīng)濟高效的解決方案，也非常適合有緊湊性需求的應用，如激光雷達等。有兩種型號可供選擇：

1.The ID Qube NIR Free-Running模塊，為電信波長(cháng)自由運行的單光子檢測帶來(lái)了重大突破，用在需要異步光子探測的應用，如光子相關(guān)性或飛行時(shí)間的測量。

2.The ID Qube NIR Gated模塊，是一種針對電信波長(cháng)優(yōu)化的快速門(mén)控單光子探測器，用于需要同步光子檢測的應用，如量子通信和量子密鑰分配。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆結構緊湊，價(jià)格經(jīng)濟，性能可靠

◆快速門(mén)控（可達100MHz）＆自由運行

◆超低噪音(＜800cps, 10%)

◆低抖動(dòng)(<200ps，通常<150ps)

◆自由空間或光纖耦合光輸入

◆寬頻帶檢測（900-1700nm）

ID230是電信波長(cháng)自由運行模式下單光子探測的重大突破，由于改進(jìn)的冷卻系統和適用的電子設備，這一系列探測器在電信波長(cháng)下具有低的暗計數率和高達25%并可調的量子效率。在蓋革模式下工作的雪崩光電二極管可冷卻至-90℃。該系列專(zhuān)為異步光子探測的應用而設計。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆波長(cháng)范圍900-1700nm

◆的暗計數率

 <50 Hz@量子效率為10％

 <200 Hz@量子效率為20％

◆可調量子效率高達25％

◆150 ps時(shí)間分辨率

◆可調節死區時(shí)間為2μs到100μs

◆可調溫度范圍為-50°C至-90°C

◆單?；蚨嗄９饫w輸入

ID Quantique (IDQ)是一家成立于2001年的全球性公司，總部位于瑞士，在各地區設有多個(gè)辦公室、工程和研究實(shí)驗室。IDQ持續的激情，對創(chuàng )新的強烈關(guān)注以及專(zhuān)業(yè)團隊的靈活性和豐富經(jīng)驗，使IDQ成為量子安全密碼學(xué)、科學(xué)儀器領(lǐng)域的行家。IDQ致力于量子傳感和量子密碼解決方案領(lǐng)域，其產(chǎn)品被60多個(gè)國家和大洲的政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)客戶(hù)使用。

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