郭曙光[1]2001年在《紧凑光子源研究》文中研究指明激光器的发展趋势正在面向应用，走向固态化、小型化。体积小、重量轻、 转换效率高、光束质量好的紧凑光子源方面的研究越来越受到人们的重视。本 论文本着追踪发展、面向应用、有所创新的原则，在改善激光器性能方面做了 一些工作，主要包括： （1）对 800nm波段 Littrow和 Littman结构的弱耦合可调谐外腔半导体激 光器进行了实验研究。实现了边模抑制比大于30dB、可调谐范围为10nm激光 输出。 （2）首次系统分析了外腔半导体激光器无跳模调谐结构的定位误差对无跳 模调谐范围的影响，并据此设计了一套1．55μm大范围无跳模调谐外腔半导体檄 光器实验系统，实现了大于50nm的无跳模调谐输出。 (3)首次系统地分析了光栅光谱仪器中的叁类正弦机构，分别设计了可实 现波长线性标度的 Littrow和 Littman外腔半导体激光器调谐机构。 (4)采用光纤Bragg光栅作为外腔反馈元件，首次将光纤光栅的悬臂梁调 谐方法用于外腔调谐技术中，完成了1．55μm可调谐光纤光栅外腔半导体激光 器，得到调谐范围为7nm、边模抑制比达39dB的激光输出。 （5）首次将 Littrow光栅调谐技术应用到掺双包层光纤激光器中，实 现了可调谐包层泵浦光纤激光器，波长可调谐范围大于40nm。 （6）采用激光谐振腔传播圆－变换圆图解分析方法，发展了激光谐振腔的 设计理论；提出了适应式热动力学稳定腔的设计思想，给出了谐振腔各参数的 设计原则；设计出一种紧凑小巧、结构灵活的适应式谐振腔；基于减小热透镜 效应、增大基模光斑尺寸、减小谐振腔体积叁个方面的考虑，提出了大孔径基 模运行的紧凑适应式热动力学稳定腔设计的基本框架。 (7)首次提出了“光学镇定器”的概念，并描述了两种类型的光学镇定器， 它可用于减弱介质折射率的扰变对光束传播特性的影响。
张玉颖[2]2009年在《紧凑型光子晶体光纤锁模激光器及纠缠光子源的研究》文中研究指明光子晶体光纤以其特殊的结构和特有的优势,为许多科研领域带来了新的机遇。基于光子晶体光纤的被动锁模激光器更以成本低廉,结构紧凑,稳定性强,输出功率高等优势,推进了飞秒激光技术的普及化应用进程。光子晶体光纤在量子信息方面的应用近些年来也成为光子晶体光纤应用研究的一个热点,利用光子晶体光纤自身的优势,并结合稳定的超短脉冲光源为制备结构紧凑、高效率的纠缠光子源提供了有效途径。本论文主要围绕实现高功率、紧凑型的光子晶体光纤锁模激光器以及基于光子晶体光纤产生纠缠光子对进行了研究。主要研究内容如下:一、基于掺Yb~(3+)大模场面积光子晶体光纤,设计并搭建了一种腔型结构简单,利用光纤端面直接作为输出耦合的高功率锁模光子晶体光纤激光器,并利用半导体可饱和吸收镜实现了激光器的自启动锁模。激光器直接利用增益光纤端面作为腔镜,减少了分立元件的使用,使高功率锁模光纤激光器更加紧凑实用。构建了光子晶体光纤锁模激光器的数值模型,对激光器的输出特性及锁模的动力学过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果很好的吻合。二、搭建了具有端面输出耦合特点并利用光栅对进行色散补偿的掺Yb~(3+)大模场面积光子晶体光纤锁模激光器。获得了平均输出功率3.1 W,单脉冲能量56 nJ的锁模脉冲输出,直接输出脉冲宽度为494 fs。并实现了激光器锁模输出的脉冲宽度、光谱宽度以及光谱中心波长的可调谐。系统研究了由光栅对滤波特性引起的光谱及脉冲宽度的呼吸效应。叁、搭建了具有端面输出耦合特点全正色散锁模的光子晶体光纤激光器。获得了平均输出功率2.6 W,单脉冲能量46 nJ的锁模脉冲输出,直接输出脉冲宽度为1.9 ps,经腔外色散补偿后脉冲可压缩至425 fs。进一步利用窄带滤波片引入光谱滤波机制,实现了耗散孤子锁模,获得了828 fs的直接输出脉冲宽度,单脉冲能量为30 nJ,峰值功率为36.6 kW。四、数值分析了各种参数对光子晶体光纤中四波混频增益特性的影响,并进行了实验研究。搭建了利用钛宝石飞秒激光器泵浦,通过光子晶体光纤的自发四波混频效应产生800 nm波段纠缠光子对的实验装置,以及探测纠缠光子对的实验装置,并通过对产生光子的单通道光子计数总结了利用光子晶体光纤高效率地产生纠缠光子需要的实验条件。提出利用高功率紧凑型光子晶体光纤锁模激光器产生1.04μm波段的高效率纠缠光子对的实验方案。
李宇杯[3]2017年在《星载量子纠缠源关键技术与发展应用》文中进行了进一步梳理量子信息是量子物理和信息科学交叉结合所产生的新学科,具有经典信息学无法比拟的优势和前景,同时也为重新认识和理解量子理论提供了新的途径,在近些年迅速发展为学术界的重要研究热点之一。非定域性是量子物理最具争议的重要特性。自从贝尔不等式提出以来,在各种条件下检验量子纠缠非定域关联的努力就从未停止。作为迈向量子力学非定域性终极检验的重要一步,将量子纠缠源搭载在人造卫星上,使得纠缠光子对能被分别发往地面上相距超过千公里的两个地点,验证量子纠缠态在星地大尺度下是否依然能保持其非定域关联特性。本人参与研制世界上首个星载量子纠缠源。该量子纠缠源需要能承受卫星发射时的强烈震动、在轨期间恶劣的辐射和温度环境以及长期无人维护的考验,同时满足对重量、体积的苛刻要求。为此,我们发展了一套可靠的光机集成方案,配合高精度装校和高效率单模光纤耦合技术,将传统的基于Sagnac干涉环的参量下转换量子纠缠源集成化、工程化。最终,该量子纠缠源每秒可产生高达8 ×116对纠缠光子对,保真度超过95%。该量子纠缠源作为"墨子"号量子科学实验卫星的主要载荷之一,于2016年8月16日发射入轨。在轨测试数据表明该量子纠缠源性能正常,可以开展德令哈-丽江地面站、德令哈-南山地面站之间的千公里级量子纠缠分发实验。通过进一步改进发展星载量子纠缠源的装校工艺,我们将熔融石英材质的光学器件直接粘接在熔融石英基底上以实现具有极高稳定性和极低损耗的干涉仪阵列,并用于量子点单光子源的玻色采样演示中。量子点单光子源具有很高的亮度和很好的单光子性,但是独立源之间的干涉仍然困难。为了得到玻色采样需要的全同多光子光源,我们使用泡克尔盒阵列和长度精确调节的延时光纤将一个单光子脉冲序列切为若干个同步的脉冲序列。由于目前泡克尔盒的重复频率远低于单光子脉冲的重复频率,脉冲序列按组切分。最终,我们演示了 5光子/9模式的玻色采样,采样率是先前其他研究组最好结果的24,000倍,超越第一台电子计算机(ENIAC)1～2个量级。我们为玻色采样研制的泡克尔盒阵列也被应用在演示全新的量子密钥分发协议(RRDPS-QKD)中,其对误码率的容忍最高可达50%;改进的粘接工艺可用于制造更稳定和紧凑的光学设备,为未来量子星座天地组网做技术储备。
罗军[4]2011年在《诱骗态量子密钥分配协议的研究》文中进行了进一步梳理量子的不可分性和系统的纠缠是量子力学最奇异的特性,而这也构成了量子密钥分配(QKD)安全性的理论基础。QKD是第一个在单量子水平上达到商业应用的技术,QKD能为用户提供高效的信息安全的解决方案,并能保证系统具有无条件的绝对安全性,可用于外交,军事,金融等需要高度保密的领域,有望成为下一代加密系统的主流方案。对于使用实际“单”光子源的QKD系统,诱骗态方法能显着的提升和改善QKD系统的性能。近五年来,人们在诱骗态领域开展了大量的研究工作,但仍有很多问题值得深入研究。本文主要研究了诱骗态QKD协议的安全密钥生成率和最大安全距离,其目的是促进QKD的进一步实用化。主要开展了以下叁个方面的研究工作。1.研究了基于标记单光子源的广义诱骗态协议,在主动方案中分别对泊松分布、热分布和接收端放置阈值探测器和光子数解析探测器的情况进行了公式推导和数值模拟;并对被动方案的情形也进行了推导和模拟。2.结合标记单光子源,详细讨论了实用的诱骗态协议。在主动方案中,使用两诱骗态加真空态来对单光子的计数率和误码率进行估计;而在被动方案中,通过探测器的后选择将光脉冲分为响应为0, 1和其他等叁类子集来实施诱骗态方案,并利用这叁类子集的实验数据来进行估计过程。3.研究了当光子数解析探测器置于接收端情况。对文献中提出的光子数解析诱骗态协议建立了具体的模型并进行了数值模拟。然后研究了主动和被动两种方案。在主动方案中,同样使用两诱骗态和真空态,利用其实验数据来进行估计;而在被动方案中,通过接收端的探测器将光脉冲分为响应为1和2两类子集来执行诱骗态协议。
李岩[5]2016年在《基于准相位匹配晶体的非经典光源的制备》文中研究说明无论是隐变量理论的否定还是EPR纠缠的证实,无论是量子秘钥分发还是量子隐形传态,非经典量子光源都是极重要的实验对象。本论文围绕光子和光子对的制备,开展了一系列的工作。基于准相位匹配PPKTP晶体的参量下转换过程,我们成功制备了红外通信波段高质量的偏振纠缠光源、腔增强高亮度的红外以及可见窄线宽光子对,此外,我们还在type-Ⅰ OPO中实现了模式可调的HG模窄线宽光子对。为了提供OPO腔的泵浦光源,我们还开展了低泵浦功率下的高效率倍频紫外激光研究。本论文的主要研究工作1.我们利用Sagnac干涉仪实现了偏振纠缠光子对的制备。我们用几种方法证明了产生的光子对具有很好的质量。双光子Hong-Ou-Mandel干涉具有95.3%±1.6%的干涉可见度,光子带宽2.4 nm。当光子的中心波长在20 nm内变化时,干涉可见度依然保持很高。双光子45°基Bell干涉曲线具有96.4%±2.0%的干涉可见度,而且不随温度和泵浦光功率变化。测量的CHS H(Clauser-Horne-S himony-Holt)不等式的S参数是2.63±0.08,在8a内违背不等式。对纠缠态的重构,我们得到的保真度为0.935±0.021。此外,产生的光子位于通信波段,而且是光纤输出,非常适合与光纤系统结合,用于光纤量子通信领域。2.我们实现了低泵浦功率下高效率397.5 nm倍频光的产生。我们工作的亮点是泵浦光(795 nm)的功率相对较低,仅110 mW,产生的蓝光有49 mW,足够去泵浦OPO腔产生光子对。产生的倍频光具有很好的空间模式,装置紧凑而稳定。和常见的商用倍频激光器相比,我们的倍频系统在一些场合更具有优势。例如对于调谐范围要求不高的地方如原子实验中,我们的系统可以省去昂贵复杂的激光放大器,直接用半导体激光器就能产生足够的倍频光。而且还可以利用半导体激光器的电流调制功能省去昂贵的电光调制器。此外,快速电流反馈也有助于提高系统的稳定性。3.我们实现了腔内Ⅱ型PPKTP晶体产生窄线宽光子对的实验。我们观察到多纵模光子对的互相关函数具有非常明显的梳状结构,信噪比超过100：1。在使用滤波腔滤出单纵模时,互相关函数的梳状结构消失,信噪比超过20：1,这证明了我们产生的是单纵模的窄线宽光子对。通过拟合,我们得到光子对的线宽为11.8 MHz,和原子的自然线宽在一个数量级,而且光子对的中心波长是780 nm,位于Rb原子跃迁的D2线,因此产生的光子可以与Rb原子系统结合,实现量子存储和量子中继。我们使用的泵浦光产生于单次通过倍频实验,功率只有几百μW。在今后我们计划将它换成腔内倍频方案,以便产生更强的泵浦光,这样可以增大单纵模光子对的产生率,提高量子通信和量子存储速率。4.我们实现了通信波段的窄带明亮光子源。我们使用了一个叁共振的OPO腔,这样泵浦光也得到了增强,因而产生的光子对的亮度相比双共振情况有明显的提高。我们得到的光子带宽为8 MHz,相干时间为27.7 ns,亮度约为134±25s-1MHz-1mW-1。由于产生的光子位于通信波段,非常适合用于光纤系统中。如果将我们的光子源用高效率的全光纤器件实现,那将会成为量子通信里一个实用化的模块。5.我们希望能产生不同空间模式的光子对,我们对这一目标进行了初步尝试,我们先实现较容易的H G模光子的产生。我们将O P O腔锁定在高阶模上,就得到了H G模光子对。我们证明了产生的确实是非经典关联的光子对。两种情况下HG模式光子的带宽分别是11.4 MHz和20.8 MHz,与原子的自然线宽相当,波长位于780 nm附近,可以与原子系统相结合,实现高维量子存储。然后我们实现了一个模式简并消除腔,在这个腔中不同轨道角动量的光束共振频率不同,这样不同轨道角动量的光束之间不会由于简并而耦合,因此不需要非常理想的光学谐振腔就能使腔的本征模式是LG模。这为我们进一步实现直接产生窄带轨道角动量光子对奠定了基础。本论文的主要特色和创新点1.我们系统地研究了基于准相位匹配晶体的自发参量下转换过程。从单次通过形式到腔增强形式,从可见波段到红外波段,从直积态到偏振纠缠态,从基模光子到高阶空间模式光子。我们的工作全面而系统,涵盖了基于准相位匹配晶体的自发参量下转换过程的大部分情况。2.我们实现了通信波段偏振纠缠源的制备,纠缠光子具有很高的保真度和亮度,频谱特性很好,非常适用于量子通信领域。3.我们完成了单模窄线宽光子源的制备。从倍频光的产生,到多纵模光子对的制备,再到双共振单纵模光子对的制备,最后到叁共振单纵模光子对的制备。我们的工作由浅入深,由易到难,系统而全面地研究了单纵模窄线宽光子源的制备。4.我们实现了多纵模窄线宽HG模光子对的直接产生。不同于以往将基模光子变换到高阶模的方法,我们产生光子对的方法可以保持很高的保真度,这在某些对保真度要求严格的场合是非常有用的。
吴光[6]2007年在《长距离量子密钥分发系统》文中认为量子保密通信提供了一种绝对安全的通信方案，它的安全性由不可改变的自然规律保证，是任何技术都无法攻破的。本文以实用的长距离量子密钥分发系统为研究目的，围绕着困扰长距离量子密钥分发的叁个主要技术障碍，分别就纠缠光子产生，单光子探测，稳定和安全的量子密钥分发方案展开研究。我们通过BBO晶体内非共线光参量放大，同时实现了光参量下转换和上转换。这种光子级联四波混频过程产生了紫外和可见的纠缠彩虹对。彩虹对由波长连续变化的紫外和可见光子组成，这些光子一一对应相互纠缠，并且按照角度变化组成彩虹环。纠缠彩虹对能够同时提供多波长的纠缠光子对，其中紫外纠缠光子能够用于产生进一步纠缠。进而，本文提出了基于多波长纠缠光子对的高效的量子通信网络方案。在单光子探测研究中，本文提出了电容平衡门脉冲单光子探测技术，利用可调电容产生一个相同的尖峰噪声，然后通过差模网络抵消。该技术克服了尖峰噪声的影响，使基于InGaAs／InP-APD的近红外单光子探测器能够工作在最佳状态，获得了极高的信噪比，其在1550 nm的暗计数与探测效率比为1.7×10~(-6)／脉冲，是目前国际上最好的指标之一。基于电容平衡门脉冲单光子探测技术，我们随即成功开发了新型的近红外单光子探测器，它具有操作简便，结构紧凑，性能优异，工作稳定等特点。我们提出和实现了基于Sagnac干涉仪的量子密钥分发方案，被美国Los Alamos国家实验室的量子保密通信路线图列为代表性方案之一。随后我们在50km光纤中完成了长期稳定的Plug & Play量子密钥分发系统，平均光子数0.1，误码率低于4％。在该Plug & Play系统基础上，我们利用自行研制的高信噪比的近红外单光子探测器，实现了155 km单光子路由实验，干涉对比度达到87％。由于光纤本身不均匀，以及外界压力和温度变化，使得光纤双折射无规则随机变化，从而使偏振态在长距离光纤中无法稳定传输。本文发展了一种单光子水平的偏振反馈补偿技术，解决了偏振光在光纤中传输时因光纤双折射变化引起的随机抖动，在长距离光纤中实现了长时间稳定的单光子水平的偏振态传输，并首次在100 km长距离光纤中实现了基于偏振编码的量子密钥分发模拟实验。我们在实验上模拟了截取-重发攻击，并且提出了基于强参考光的量子密钥分发方案，通过监测强参考光，可以有效地阻止光子分束攻击，从而使基于相干光源的量子密钥分发系统的安全距离延长至146 km。
何英秋[7]2016年在《多光子纠缠态的制备和多量子比特系统的Bell型不等式》文中认为量子纠缠是一种切实的物理资源,量子态的纠缠特性是量子力学区别于经典力学的最基本特征,对量子纠缠的研究具有重大的科学意义.本文主要研究多光子纠缠态的制备和多量子比特系统的Bell型不等式,具体研究成果为:1.基于参量下转换源、克尔非线性介质和线性光学器件,我们提出一个高效的四光子Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的制备与纯化方案.首先,我们研究如何从参量下转换源产生的两对纠缠光子制备出一个包含偏振纠缠和空间纠缠的四光子超纠缠GHZ态.接着,在考虑存在退极化噪声的情况下进一步给出用空间纠缠纯化偏振纠缠方案.2.我们提出一个高效制备六光子超纠缠态方案,制备的超纠缠态包含偏振纠缠和空间纠缠.考虑参量下转换源产生叁对纠缠光子情况,我们设计量子线路演化光子态.因为方案中考虑了光子的全部可能状态,所以方案有很高的效率.3.基于线性光学和弱非线性介质,我们提出了一类多光子纠缠态的制备方案.方案中,我们在非线性相互作用过程中仅引入了两个很小的相位角.在不考虑消相干的情况下,我们计算测量过程中的出错概率,结果表明即使光子数很大时其最大出错概率也可以任意小.4.我们提出一个弱非线性机制下制备多光子数态纠缠方案.在非线性相互作用过程中引入的相位角的最大值与光子数成正比,同时通过约束相位角的大小以保障方案满足弱非线性机制.同样,在不考虑消相干的情况下我们计算测量过程中的出错概率,结果表明当前方案是可行的.5.我们研究一类重要的四量子比特纠缠态的纠缠度量及其对一种指定的Bell型不等式的量子违背.结果表明存在一类四量子比特纠缠态全部违背指定的不等式,其纠缠度量随着Bell算子期望值的增加先减小而后增加,两者的关系曲线是一条平滑曲线.6.基于Clauser-Horne-Shimony-Holt不等式,我们提出一种构建多量子比特系统Bell型不等式的方法.不等式结构简单便于实验,尤其是选择一组给定的测量环境可以得到一组紧凑的Mermin型不等式.以这组Mermin型不等式为例,我们讨论了广义GHZ(GGHZ)态和两类常见的混合纠缠态对不等式的违背.同时,我们还研究了四量子比特GGHZ态的纠缠度量与其量子违背值间的关系.
秦忠忠[8]2015年在《利用铷原子系综中四波混频过程制备光场非经典态》文中进行了进一步梳理光场非经典态(如纠缠态、压缩态、单光子态、薛定谔猫态等)是用经典电磁学理论不能描述的。它们本身既是量子光学与原子分子物理中一个重要的研究课题,又是研究这些领域必不可少的工具。一些重要的涉及量子物理基本问题的探索都需要利用纠缠态与单光子态,例如EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)纠缠、量子非定域性以及Bell不等式的实验验证等。此外,纠缠态与单光子态分别构成了连续变量与分离变量量子信息技术的基础。因此,制备理想的纠缠态与单光子态一直是量子光学研究与量子信息技术中极其重要的研究课题。本论文将主要介绍以下四项工作：1.我们以半导体激光系统为泵浦源,利用热铷原子蒸汽中非简并四波混频过程产生量子关联孪生光束,实现了-7 dB强度差压缩,并在低频至8 kHz处观察到压缩。据我们所知,这是第一次利用半导体激光器作为泵浦源实现的kHz水平的强度差压缩。2.多组份量子关联与纠缠对于基础科学研究与未来量子信息技术的发展都具有重要意义。我们理论提出了利用级联四波混频过程产生多个量子关联光束的方案,其主要优势是关联程度随着光束数目增加而增大。为了验证我们的方案,我们利用两个级联四波混频过程产生了叁束量子关联光束,其强度差压缩度高于单个四波混频过程产生的孪生光束的压缩度。3.单光子与单光子量子比特构成了分离变量量子信息处理技术(如量子密码学,量子通信,量子中继器与量子计算)的基础。我们利用原子蒸汽中自发四波混频过程产生的双光子对实现了预告式单光子源,并以此为基础实现了基于集体自旋激发的任意光学量子比特。我们利用量子层析技术重构了单光子态与量子比特的密度矩阵与Wigner函数。4.精确掌握单光子态时间模式函数对于提高量子密码学、量子计算等量子信息处理技术的效率具有重要意义。我们提出并实验实现了一种可以获得单光子态完整时间模式函数的方法——多色光学差拍层析技术。这种方法利用测量平衡零拍探测器在多个本振光频率下光电流的自关联函数来获得信号光子的时间密度矩阵,从而获得其时间模式函数。我们在叁种不同实验条件下测试了我们的方法,实验结果与理论预测几乎完美符合。
武愕[9]2007年在《基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用》文中研究指明在量子物理学创立于发展过程中，单光子源担任十分重要的角色，总是引起研究学者的关注。一方面，单光子源作为一个非经典光源可以被用来演示量子力学的基本原理，展现量子的奇异性。另一方面，基于量子力学原理的量子信息技术也需要利用单光子源来实现量子保密通信和量子计算。特别是在量子保密通信中，密钥的信息被加载在单光子脉冲序列上，在这种情况下的任何测量都会不可避免的改变这个单量子系统的本征态，这保证了窃听者不可能在不被发现的情况下获取密钥信息。因此，对实用可靠的单光子源的研制已经成为当前量子物理学的最前沿研究内容之一。迄今为止，人们已经发展了许多种单光子源，例如被囚禁的单原子和单离子、单分子、单量子点、以及金刚石中的单色心等，然而这些单光子源或者需要复杂的仪器设备，或者在室温下难以稳定工作。虽然金刚石中的氮-空穴(N-V)色心在室温下表现出超凡的稳定性，但是N-V色心室温下的发射光谱有100nm的带宽，覆盖了可见光的很大部分，因此在空间量子保密通信系统中难以去除日光背景噪声对实验的不利影响。本论文研制了一种新的单光子源，它的工作机理是基于金刚石中单个镍-氮色心(NE8)的光致发光。与N-V色心相比，NE8色心的发光特性有诸多优点。首先，NE8色心的发射波长在790nm附近，发射带宽仅有2nm，有利于在量子保密通讯系统中使用窄带滤光片来去除噪声。而且，NE8色心的荧光寿命仅为2ns，可以支持高速率的单光子产生。同时，由NE8色心发射单光子具有线偏振特性，这有利于量子保密通信中对单光子偏振态直接进行编码。与此同时，室温下的NE8色心的稳定发光确保了这种单光子源在实际应用中的可靠性。最后，NE8色心可以采用化学雾相沉积(CVD)的方法以可控的手段生长在纳米金刚石晶体中，为进一步提高这种基于金刚石的单光子源的性能提供了可能。使用CVD方法生长的纳米金刚石晶体，因为克服了由金刚石材料折射率大而引起的全反射而导致的光子收集效率低的问题，所以纳米金刚石晶体可以显着提高单光子的收集效率。本论文首次在单光子水平下对NE8色心的激发光谱进行了研究，研究结果表明NE8色心的最优化激发波长在765nm。研制成了使用765nm激光脉冲激发纳米金刚石中的NE8色心的触发式单光子源，并在室温下实现了稳定运转，单光子产生速率达到30kcts／s。整个系统紧凑，高效，可应用于实际条件下的量子保密通信系统。在本论文中，使用研制的单光子源对量子物理的基本原理进行了研究。首先，基于N-V色心的单光子源，利用Fresnel双棱镜，开展了的波前分裂的单光子干涉实验，展现了光的波粒二象性。一方面，由CCD记录下的干涉条纹的形成过程体现出了光的波动性；另一方面，观测到的反聚束效应体现出了光的粒子性。使用同一个N-V单光子源，在单光子水平上演示了Wheeler的“延迟-选择”假想实验，验证了量子力学的基本原理。即干涉仪中，光子的特性取决于对可观测量的选择。即使当光子已经进入到测量系统中之后才做出对可观测量的选择，光子的特性依旧取决于最终选取的可观测量。这是第一次真正实现了Wheelet的思辨实验，利用单光子源再次证明了量子力学超越了常识。
郑福[10]2016年在《近红外单光子集成化探测电路研究》文中研究指明单光子探测是一种极弱光探测技术,在量子信息,生物极弱光成像,空间激光通信,激光雷达,天文观测,低可视目标探测等领域具有重大的应用前景,是各国争相发展的前沿技术。尤其是近红外波段在光纤通信中具有两个低损耗窗口、具有人眼安全性、并且适合夜晚环境、大气衰减小等特点,更加受到了广泛关注。在可见光波段,硅材料的光电雪崩二极管是理想的单光子探测器件；而在近红外波段,InGaAs/InP光电雪崩二极管具有很大的优势。不同于传统的线性工作模式,单光子探测的光电雪崩二极管偏置于击穿电压之上,称为盖革模式,这时光电雪崩二极管具有无限大的增益,即使一个光子也可以触发自持续的雪崩,产生可观测的电信号。虽然盖革模式光电雪崩二极管可以探测到单个光子,但是也带来一系列诸如暗计数、后脉冲等问题。而且如果要实现单光子成像,就需要对近红外光电雪崩二极管阵列信号进行处理。所以,设计与实验室研制的InGaAs/InP光电雪崩二极管匹配的集成化探测电路成为关键问题。本文的主要内容是与实验室研制的InGaAs/InP光电雪崩二极管匹配的集成化探测电路的研究,主要创新点包括以下几个方面：(1)提出两种高速单光子探测电路采用传统的外部逻辑门控电路只能达到20 MHz左右的门控频率,且门宽很难做到很窄的程度。针对这些问题,基于FPGA低成本灵活可配置的特点和高速ECL比较器,本文设计了一个基于FPGA的窄门控模式的100MHz近红外单光子探测器,具有小型化、易调节的特点。同时该系统对于测试单光子雪崩二极管的性能起到了很大的作用。为了能够提取弱的雪崩信号,并且借鉴互差分电路的优越性,本文提出了基于集成双SPAD的双平衡差分高速电路结构,有效SPAD的输出信号先和平衡支路的遮光SPAD输出信号相减,再和移相衰减的正弦驱动信号相减,这样能够有效的鉴别出微弱的雪崩信号,实现了400 MHz的高速门控探测。这两种高速门控电路为单光子探测器的高速化应用提供了简单可靠的方法,为高速集成化设计提供了思路。(2)与实验室InGaAs/InP SPAD匹配的两种淬灭电路由于InGaAs材料的带隙宽度小,热噪声造成的暗计数大,所以InGaAs/InP SPAD一般工作在门控模式下。但是在很多应用中,比如激光雷达,光子是随机到来的,不与门控信号同步,所以InGaAs/InP SPAD也有工作在自由运行模式的需求。本文设计了主动反馈淬灭主动复原集成读取电路来快速地对雪崩信号进行淬灭,并且快速地恢复。这样可以很大程度减小流过器件的雪崩电流,从而减小载流子滞留造成的后脉冲现象。分析了光电雪崩二极管发生雪崩的过程,发现被动淬灭的过程是很快的,而被动恢复过程却很慢。所以利用这个特点,本文结合被动淬灭和变电阻淬灭方式,设计了混合被动变电阻淬灭主动复原集成读取电路,发现在这种电路中的淬灭虽然较慢,但是过冲现象大大减小。这两种淬灭电路与本实验室的InGaAs/InP SPAD的电子学特性匹配良好,能够配合其完成感测、淬灭、死区时间控制、复原、计数等一系列动作。(3)多光子探测电路和阵列集成电路盖革模式的光电雪崩二极管只能探测到的光子的有和无,没有办法对光子数进行分辨。本文提出了一种多光子探测器,基于单个像素的淬灭电路设计了具有15个光子分辨能力的多光子探测电路,它将光电雪崩二极管前端淬灭电路的输出脉冲进行迭加,从而输出一个和光子数成正比的电压脉冲,可以与激光测距产品直接匹配。阵列读出是实现单光子成像器件的关键,本文对阵列读出的关键问题：阵列集成和总线读出进行了详细分析和设计。本文实现了1×8的线阵和8×8的面阵,像素之间一致性高。对8×8的阵列采用的是全并行的集成方法,像素数据顺序读出,并通过UART串行总线将数据上传,为更大规模的阵列集成奠定了基础。
参考文献：
[1]. 紧凑光子源研究[D]. 郭曙光. 南开大学. 2001
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