石家庄学院硕士学位论文全光纤关联光子对标定通信波段单光子侦测器量子效率的实验研究姓名：****请学位级别：硕士专业：光学工程指导班主任：**英单光子侦测器在计量技术领域，科学实验及光电测量领域，尤其是在未来的量子通讯领域有着重要的应用，它早已成为各国光电子学界重点研究的课题。量子效率作为单光子侦测器的一个重要参数，怎样对其进行精确标定就成为一个具有重要意义的研究课题。传统的标定方式须要一个参考标准，即标准的光源或精度更高的标准侦测器，这限制了标定的复现性和精度的有效提升。２０世纪８０年代，研究者提出一种不依靠任何参考标准也不涉及单光子侦测器其它指标的绝对标定方式，就是借助量子关联光子对的关联特点来进行标定。目前，单光子侦测器量子效率标定实验中使用的都是晶体热阻下转换过程形成的关联光子对，并且这些关联光子对在标定过程中有许多不足之处。与之相比，近些年来出现的基于光纤四波滤波过程形成的关联光子对就具有很大优势。为此，‘本研究小组提出借助光纤四波滤波形成的关联光子对来对单光子侦测器的量子效率进行标定，这些方式具有提升检测结果的精确度及实际应用的潜力。本论文首先阐述了单光子侦测器量子效率标定在单光子侦测中的意义，之后介绍了借助量子关联光子对标定单光子侦测器量子效率的技巧，同时强调了借助晶体形成的关联光子对进行标定实验的不足之处，之后，详尽论述了基于光纤形成的关联光子对绝对标定单光子侦测器的理论原理。
最后介绍了实验装置与实验过程，并对实验结果进行了剖析。在综合考虑传输效率及各类耗损后，测得侦测器对１５５０ｎｍ通信波段的光的量子效率约为１３．７４％，论文中还对影响实验的拉曼光子和单通道带宽进行了比较剖析。关键词：量子关联光子对色散位移光纤单光子侦测器标定量子效率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独创性申明本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中非常加以标明和致谢之处外，论文中不包含其他人早已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一齐工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明晰的说明并表示了歉意。学位论文作者签名兹孟椤签字日期．学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解基洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗态堂可以将学位论文的全部或部份内容编入有关数据库进行检索，并采用翻印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借书。同意中学向国家有关部门或机构送交论文的打印件和c盘。（保密的学位论文在揭秘后适用本授权说明）学位论文作者虢砼杰带签字日期：Ａ钟年参月芗日导师签名：第一章总论第一章总论本章简略介绍单光子侦测器及其量子效率标定的意义，对传统标定方式、关联光子对标定方式进行了比较，回顾了基于晶体形成关联光子对进行标定实验的现况和这些标定方式具有的优势和不足，明晰了本课题的研究意义，最后对文章结构进行了简略说明。１．１单光子侦测器及其量子效率标定的意义单光子侦测技术是量子保密通讯的核心技术，同时在高帧率的波谱检测、非破坏性物质剖析、高速现象测量、精密剖析、大气测污、生物发光、放射侦测、高能化学、天文对焦、光频域反射（ＯＴＤＲ）、量子秘钥分发系统（ＱＩＯ）等领域有着广泛的应用【ｌｌ。
目前，单光子侦测使用的元件主要有光电倍增管（ＰＭＴ）和雪崩光电晶闸管（ＡＰＤ）两种。光电倍增管是借助外光电效应来侦测光讯号的电真空元件。雪崩光电二级管是借助内光电效应侦测光讯号的元件，在ＡＰＤ两端加上反偏电流，光子被ＡＰＤ的吸收层吸收并形成光电子，光电子在电场的作用下步入用尽层并被加速，高速运动时与晶格发生碰撞形成新的电子空穴对，新的电子空穴对在电场作用下被加速并再度与晶格发生碰撞形成更多的电子空穴对，这么反复产生雪崩倍增，将讯号电压放大。其中ＰＭＴ具有增益较高，暗电压比ＡＰＤ小的优点，但容积大，须要高的偏压，通常应用于对容积要求不太高和超紫外及可见光环境中。在近红外波段，ＰＭＴ已难以侦测，而ＡＰＤ则有较大优势。ＡＰＤ按材料结构不同，适用于不同的波长范围，硅和锗ＡＰＤ已用于较长波长的侦测，而用于近红外波长的ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ实验研究已有很大进展。ＡＰＤ有较高的量子效率，与ＰＭＴ相比容积很小且不需要太高的展宽，对环境要求较低，是目前单光子侦测领域最有优势的侦测器。但其响应恢复时间较慢，因为热噪音及后脉冲造成暗计数率较高，因此计数率相对较低。雪崩光电晶闸管用于单光子侦测，一般在盖革模式（Ｇｅｉｇｅｒｍｏｄｅ）下工作，即反向展宽低于雪崩电流的工作方法。
在“盖革模式＂下，为了侦测到下一个光子，第一章总论须要一个抑制电路来抑制雪崩，抑制电路将ＡＰＤ两端的电压降到雪崩电流之下，因而使雪崩停止。而后再将工作电流恢复到雪崩电流之上，等待下一次雪崩。抑制雪崩的时间被称为“死时间＂，为了提升侦测速度，须要尽量减少“死时间”。另外，还须要用后置放大器对从ＡＰＤ输出的电脉冲进行放大和鉴定，最后对信号进行记录和处理。单光子侦测器的一个关键性能参数是量子效率，因为单光子侦测器在高技术领域的重要地位，早已成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一，因而锗与量子通讯，对单光子侦测器的量子效率的标定工作有着十分重要的意义。据悉，单光子侦测器的量子效率还与实验条件，实验环境等许多诱因有关，例如在宣布式全光纤单光子源的实验中，侦测器的量子效率对于获得单光子源的个别参数是十分重要的，因而须要当时的实验条件下对单光子侦测器的量子效率进行标定。实际中锗与量子通讯，因为制做材料本身特点等诱因，入射到侦测器的光子并不一定都能造成它的响应，而是以一定的概率输出光电流讯号。为此，单光子侦测器的量子效率可以定义为：光子入射到侦测器以后，形成的光子计数与入射光子数之比。已有报导，在１５５０ｎｍ通信波段侦测器的量子效率已然达到３０．４０％，但典型的量子效率为１０％左右【２Ｊ。
传统的单光子侦测器量子效率标定方式一般采用基于幅射源和基于侦测器两种方式，它们的共同点是须要构建高精度的中级标准以及直到用户的标准传递链。标准传递链保证了各类传感的响应可以追溯到一个共同基准，但同时也限制了标准工程的可复现性和精度的有效提升，且因为要依照不同的定标要求设计传递链，不但降低了定标系统设计难度，还导致精度随传递环节的降低而逐级降低。从国外外的研究结果看，标准传递过程是限制定标精度有效提升的困局１３Ｊ。从提升精度的角度出发，希望侦测器的定标构建在一种可在任何时间和地点确切再现的客观数学过程上，而不依赖于某个侦测器或某种传递过程。近些年来，出现了一种新的标定方式，即借助量子关联光子对绝对标定单光子侦测器的量子效率，这为实现“无标准传递”定标提供了极好的手段【３】。第一章总论１．２量子关联光子对绝对标定单光子侦测器量子效率本小节首先对量子关联及其应用进行了简单介绍，然后给出了量子关联光子对标定侦测器量子效率的基本原理和借助晶体中关联光子对进行标定的方式，对其研究现况进行了剖析，强调其优势和不足，最后，对本标定实验采用的关联光