用于自由空間光學(xué)技術(shù)的單光子探測(cè)器

基于自由空間光學(xué)（FSO）系統(tǒng)，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(tǒng)都需要鏈路預(yù)算和系統(tǒng)噪聲估計(jì)。根據(jù)應(yīng)用，通信信道通過(guò)大氣或大氣與空間的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)信號(hào)通過(guò)通信信道傳輸時(shí)，由于不同的物理效應(yīng)而衰減，從而導(dǎo)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(zhǎng)和傳輸介質(zhì)（雨、霧等）。FSO系統(tǒng)中存在的噪聲可能是由于系統(tǒng)組件的固有噪聲或背景輻射引起的。當(dāng)在對(duì)鏈路信號(hào)能量要求不高時(shí)，可以采用對(duì)性能要求相對(duì)不高的面陣探測(cè)器進(jìn)行適配。當(dāng)激光通信鏈路的光信號(hào)很弱，需要在低功率下實(shí)現(xiàn)通信，那么就需要更靈敏的接收探測(cè)器裝置。目前，在通過(guò)在接收器處使用單光子探測(cè)器（SPD），可以在高光損耗狀態(tài)下運(yùn)行FSO系統(tǒng)。使用SPD，到達(dá)探測(cè)器的信號(hào)可以衰減到單光子水平，并且仍然可以進(jìn)行檢測(cè)。

單光子探測(cè)器（SPD）是FSO通信系統(tǒng)中檢測(cè)低強(qiáng)度信號(hào)的一種很好的解決方案。正如其名稱(chēng)所述，SPD能夠以*的計(jì)時(shí)精度（低至50ps）檢測(cè)單個(gè)光子的存在。這種高定時(shí)精度有助于區(qū)分同步信號(hào)和隨機(jī)噪聲。

圖1 量子通信測(cè)試鏈路

上圖為一個(gè)簡(jiǎn)單通信協(xié)議的測(cè)試設(shè)置，主要由ID300（激光器）、ID220（單光子探測(cè)器）以及ID800（計(jì)數(shù)器）構(gòu)成（鏈路所用設(shè)備已有升級(jí)產(chǎn)品）。

可以使用脈沖位置調(diào)制（PPM）對(duì)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(xiàn)500kbps的比特率。由于可以同步發(fā)送，任何超出預(yù)期時(shí)間的檢測(cè)都可以標(biāo)記為噪聲，從而消除由于噪聲引起的錯(cuò)誤。

IDQ采用了圖1的鏈路對(duì)這一類(lèi)型的編碼進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2所示：

圖2 4位編碼測(cè)試示意圖

由圖2可看出，在特定時(shí)間寬度內(nèi)接收到的單光子信號(hào)。

當(dāng)然，根據(jù)不同的測(cè)試需要，還需要選擇適合項(xiàng)目鏈路探測(cè)器的運(yùn)行方式，如門(mén)控式、自由運(yùn)行式及超導(dǎo)納米線(xiàn)式的探測(cè)器。IDQ公司具有多款運(yùn)行方式的單光子探測(cè)器，波段分布在可見(jiàn)光和近紅外光，可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇更適合實(shí)驗(yàn)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(cè)器組成,時(shí)間分辨率(適用于TCSPC應(yīng)用)和低死區(qū)時(shí)間。基于在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)敏感的硅雪崩光電二極管，該模塊能夠檢測(cè)低至單光子水平的微弱光信號(hào)（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(qū)時(shí)間（45 ns）

◆小IRF偏移@高計(jì)數(shù)率下

◆常規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)和超低噪音等級(jí)

◆峰值光子探測(cè)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(qiáng)光照射損壞

◆沒(méi)有雙穩(wěn)態(tài)

IDQ的ID120系列由緊湊且價(jià)格低廉的單光子探測(cè)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(nèi)非常敏感。ID120系列的新型探測(cè)器在可見(jiàn)光波段的紅色區(qū)域和超高有效區(qū)域(紅外)具有較高的探測(cè)效率。這種新型探測(cè)器作為自由空間模塊，無(wú)源淬火，最大探測(cè)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(diào)量子效率

◆可調(diào)二極管溫度

◆可調(diào)死時(shí)間

◆通用雙輸出

◆Labview接口

◆C-mount，SM1，cage兼容

◆集成電子計(jì)數(shù)器

ID Qube NIR單光子雪崩探測(cè)器模塊是在電信波長(zhǎng)單光子檢測(cè)方面的突破。ID Qube可提供精確可靠的單光子檢測(cè)，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(cè)上是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，也非常適合有緊湊性需求的應(yīng)用，如激光雷達(dá)等。有兩種型號(hào)可供選擇：

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

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

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，性能可靠

◆快速門(mén)控（可達(dá)100MHz）＆自由運(yùn)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(cè)（900-1700nm）

ID230是電信波長(zhǎng)自由運(yùn)行模式下單光子探測(cè)的重大突破，由于改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)和適用的電子設(shè)備，這一系列探測(cè)器在電信波長(zhǎng)下具有低的暗計(jì)數(shù)率和高達(dá)25%并可調(diào)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(cè)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆波長(zhǎng)范圍900-1700nm

◆的暗計(jì)數(shù)率

 <50 Hz@量子效率為10％

 <200 Hz@量子效率為20％

◆可調(diào)量子效率高達(dá)25％

◆150 ps時(shí)間分辨率

◆可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間為2μs到100μs

◆可調(diào)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(qū)設(shè)有多個(gè)辦公室、工程和研究實(shí)驗(yàn)室。IDQ持續(xù)的激情，對(duì)創(chuàng)新的強(qiáng)烈關(guān)注以及專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)的靈活性和豐富經(jīng)驗(yàn)，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(guó)家和大洲的政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)客戶(hù)使用。

西安立鼎光電為瑞士IDQ中國(guó)區(qū)的合作伙伴，可以為您提供專(zhuān)業(yè)的咨詢(xún)和售前、售中以及售后服務(wù)。