检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：梁龙跃山东大学

学位级别：博士

近年来,量子通信、量子计算和量子精密测量等量子信息技术引起了科学家们极大地关注,其中量子秘钥分发(Quantum Key Distribution)是当前量子信息领域中最接近实用的分支,是迄今为止最安全的通信方式。1550 nm通信波段的单光子探测器是... 详细信息

近年来,量子通信、量子计算和量子精密测量等量子信息技术引起了科学家们极大地关注,其中量子秘钥分发(Quantum Key Distribution)是当前量子信息领域中最接近实用的分支,是迄今为止最安全的通信方式。1550 nm通信波段的单光子探测器是光纤量子秘钥分发系统的核心器件之一,单光子探测器的性能将直接影响量子秘钥分发的传输距离和成码率。上转换单光子探测器则是目前综合性能最优的室温单光子探测器,其核心是利用周期极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate,PPLN)波导的非线性和频效应,将通信波段的光子高效率地转换到可见光波段,然后再利用高性能的硅雪崩光电二极管进行探测,其性能可满足长距离量子秘钥分发的要求。然而,目前绝大多数的周期极化铌酸锂波导器件都是基于同成分铌酸锂晶体(Congruent Lithium Niobate,CLN),它们在实际应用中通常受到短波长、低功率以及高温操作等限制。与之相比,5 mol.%氧化镁掺杂同成分铌酸锂晶体(5 mol.%Mg:LN)的性质和性能都更加优越,因此更适用于制作周期极化铌酸锂波导器件,但是5 mol.%Mg:LN晶体的周期极化难度较大,难以获得高质量、大尺寸的周期极化晶体,因此无法制作足够长度的波导芯片,最终导致上转换单光子探测器存在探测效率低以及噪声计数高等缺点。基于周期极化铌酸锂波导在量子保密通信领域的重要应用价值,以及制备过程中存在的问题,本论文主要开展了以下工作:一、研究了CLN和5 mol.%Mg:LN晶体在外加电场极化过程中的极化反转特性,分析了影响5 mol.%Mg:LN晶体周期极化质量的两个关键因素——“负反馈机制弱”和“易产生漏电流”;针对3英寸5 mol.%Mg:LN晶体周期极化过程中存在的问题,通过改进光刻胶的立体构型和极化电压的施加方式,抑制了反转畴的横向扩张;研究了漏电流的形成机理,提出了利用Si02介质层抑制漏电流的方法,并且系统地研究了 SiO2层厚度对周期极化质量的影响;通过利用合适厚度的Si02层抑制漏电流,同时结合使用多脉冲极化电压波形,成功实现了 3英寸、0.5 mm厚度的5 mol.%Mg:LN晶体的均匀周期极化。二、研究了PPMgLN晶体的反转畴结构:+七面反转畴占空比～50%,-z面反转畴占空比～30%,极化反转基本贯穿至晶片-z面,而且在晶片+z面以下～300 μm范围内,反转畴占空比均保持在45±5%,满足一阶准相位匹配的要求。研究了单通25 mm PPMgLN晶体的倍频性能:在1572 nm波长处获得了～2.3 5%/W的倍频转化效率,对应的有效非线性光学系数～14.2 pm/V,略低于其理论值,～17.2 pm/V,该差别主要源于PPMgLN晶体器件端面的菲涅尔反射损耗。三、研究了CLN和5 mol.%Mg:LN晶体中H+离子扩散模型的差异,分析了影响反质子交换PPMgLN波导制备和波导性能的主要因素;研究了模式过滤器宽度、波导宽度以及H+离子扩散深度对信号光和泵浦光透过率以及光斑模式的影响,确定了比较合理的波导设计和制成参数,并且基于制备的3英寸PPMgLN晶片,通过反质子交换法成功制备了长度52 mm的反质子交换PPMgLN波导芯片;研究了反质子交换PPMgLN波导的信号光和泵浦光透过率、QPM调谐曲线以及SFG转化效率:波导的信号光和泵浦光透过率分别是24.3%和27.1%,相位匹配波长是1301.61 nm,调谐曲线的主次比～2:1,SFG转化效率～10.96%;分析了反质子交换PPMgLN波导的SFG转化效率偏低的原因,并对后续波导的性能优化实验提出了改进方案。四、设计并制备了反质子交换型集成化双通道PPLN波导器件;测试了双通道PPLN波导器件中相邻两路波导通道的QPM调谐曲线和SFG转化效率:两路波导通道的相位匹配波长接近,能够同时满足相位匹配条件,即同时实现最高的信号光转化效率,但是两路波导通道的最大信号光转化效率之间存在微小的差异,该差异主要源于波导的制成误差;设计并搭建了偏振无关上转换单光子探测系统光路,通过选择合适的器件组合以及调节两路波导通道的入射泵浦光功率,补偿了两路波导通道最大信号光转化效率之间的差异,使得这两路波导通道所对应的上转换探测系统对H偏振态和V偏振态的探测效率相同,最终实现了一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器;研究了全光纤偏振无关上转换单光子探测器的性能,基于此探测器实现了 1.55 μm通信波段的高效率偏探测,获得了～29.3%的整体探测效率,对应的暗计数～1600 cps,同时通过实验证明当入射信号光的偏振态发生变化时,此偏振无关上转换单光子探测器的探测效率保持稳定,偏振相关损耗～0.1 dB。

关键词：量子秘钥分发上转换单光子探测器周期极化铌酸锂波导非线性频率转换偏振无关

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1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用

1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用

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作者：上官明佳中国科学技术大学

学位级别：博士

单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器... 详细信息

单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5 μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全,大气透过率高,受瑞利散射干扰小,太阳背景辐射弱的优点。本论文针对这三个探测器的特点,分别研制了不同类型的激光遥感设备。本论文的主要工作如下:1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器,实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ,望远镜口径100mm,时间分辨率5分钟,激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。在验证实验中,上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24小时的观测。2.研制了 1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术,以及单光子检测技术,同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中,当时间分辨率1分钟时,水平探测距离达到4km。在距离为1.8km的位置,距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中,高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式,风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s,光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。3.研制了基于1.5 μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。通过采用全光纤保偏结构,保证了光学耦合效率,提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术,仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器,实现了双边缘探测技术。校准实验中,系统的相对误差低于0.1%。验证实验中,双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性,速度的标准偏差为1.04 m/s,方向的标准偏差为12.3°。4.研制了基于自由运行InGaAs/InP单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用,对自由运转单光子探测器探测效率、暗计数率、后脉冲概率、最大计数率进行了优化。通过优化,探测器的最大计数率为1.6 Mcps,探测效率10%,暗计数率950cps,后脉冲概率18%。针对InGaAs/InP单光子探测器后脉冲概率大的特点,提出了一种针对后脉冲和计数率修正的算法。在外场实验中,经算法修正后,基于InGaAs/InP单光子探测器的气溶胶激光雷达探测的Pr2与基于超导单光子纳米线探测器探测的结果吻合,相对误差约为2%。5.研制了基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用双频激光器代替传统的多通道Fabry-Perot干涉仪,实现了激光器和光学鉴频器的高精度锁频。采用高量子效率和低暗计数噪声超导纳米线单光子探测器,提高了探测信噪比,其100Mcps的最大计数率避免了激光雷达的信号饱和现象。采用时分复用技术,基于集成光电子学器件实现不同方向的径向风探测,无机械扫描器件。采用微弱光源、小口径望远镜,在10米高度分辨率、10秒时间分辨率条件下,超导双频激光雷达实现了 2.7km高度以下大气的风切变探测。6.研制了基于上转换光子计数探测器和全光纤法布里-珀罗扫描干涉仪的直接探测布里渊时域反射计。由于上转换单光子探测器超低的噪声等效功率,以及Fabry-Perot干涉仪高光谱分辨率的优点,沿保偏光纤的布里渊谱可以直接在光学频域进行分析。采用高光谱分辨方法,同时获得光纤中布里渊散射谱的频移、功率和谱宽信息,实现了分布式温度传感。采用双边缘技术,实现了动态应变的快速探测。

关键词：上转换单光子探测器超导纳米线单光子探测器自由运行InGaAs/InP单光子探测器 Fabry-Perot干涉仪气溶胶激光雷达多普勒测风激光雷达布里渊光时域反射计

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微纳光纤与集成光子器件耦合技术及其应用

微纳光纤与集成光子器件耦合技术及其应用

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作者：姚妮浙江大学

学位级别：博士

与集成电路芯片相比,集成光子芯片具有能耗低、速度快和带宽大等优点,在信息等领域得到了极大的关注。在集成光子芯片中,集成光波导和光学微谐振腔是最主要的器件单元。集成光波导一般用于单一芯片不同器件的互联,而光经过长距离传输后... 详细信息

与集成电路芯片相比,集成光子芯片具有能耗低、速度快和带宽大等优点,在信息等领域得到了极大的关注。在集成光子芯片中,集成光波导和光学微谐振腔是最主要的器件单元。集成光波导一般用于单一芯片不同器件的互联,而光经过长距离传输后耦合进入芯片以及不同芯片之间的互联需要光纤连接。因此,光纤与集成光波导的耦合十分关键。受限于光纤和集成光波导的模场匹配,两者之间难以获得高的耦合效率。而微纳光纤,由于其具有直径灵活可控、体积小、重量轻、损耗低、光场束缚强以及倏逝场大等特点,可以解决集成光波导的耦合难题;同时,微纳光纤由普通光纤拉锥而成,具有与普通光纤无缝、无损连接等特点。结合上述特性,微纳光纤为提高光耦合效率以及增加器件集成度方面带来了新的机遇。本文从微纳光纤和集成光子器件(集成光波导和回音壁模式微腔)出发,系统而深入地分析了如何将光高效地耦合进入集成光子器件;同时,探讨了微纳光纤耦合的回音壁模式微腔在光学传感以及非线性光学方向的应用。本文主要内容如下:本论文的第一部分,主要论述高品质微纳光纤制备方面的工作。采用“火焰刷”技术制备了直径可控(<3 nm)的短腰微纳光纤和高透过率(99.4%)长腰微纳光纤,此高品质微纳光纤的制备为实现集成光子器件的高效耦合提供了强有力的保障。此外,深入研究了光纤表面粗糙度对光纤透过率的影响,用归一化表面场表述了微纳光纤的传输损耗,此概述为制备高透过率的微纳光纤提供了理论指引。本论文的第二部分,主要研究微纳光纤耦合的回音壁模式微腔在光学传感和非线性光源方面的应用。利用微纳光纤直径灵活可调和倏逝场强的特性,实现了微纳光纤与回音壁模式微腔的高效耦合;研究了微纳光纤耦合的聚合物回音壁模式微腔在光学传感方面的应用;基于单盘微腔准相位匹配和双盘微腔强耦合劈裂弥补色散两种相位匹配方式,探讨了微纳光纤耦合的铌酸锂薄膜微腔在非线性光源中的应用,上述两种相位匹配方式所观察到的非线性频率转化效率都是目前报道的最高值,为实现微腔的高效非线性频率转化奠定基础。本论文的第三部分,主要研究微纳光纤与铌酸锂波导的耦合。利用微纳光纤直径灵活可调和光场约束强的特性,提出利用微纳光纤端对端耦合反质子交换周期性极化铌酸锂波导的新思路;同时,为了防止微纳光纤受到污染以及提升器件的集成度,用充满低折射率胶的微细管对微纳光纤进行封装;利用封装的微纳光纤耦合反质子交换周期极化铌酸锂波导,两者之间耦合效率提升至93%;将微纳光纤耦合的反质子交换波导应用于上转换单光子探测器,硅基单光子探测器实现了对通信波段的单光子探测,其探测效率高达40%,同时噪声低至200 cps,并探索了微纳光纤耦合的上转换单光子探测器在量子秘钥分发的应用;进一步地,将微纳光纤端对端耦合应用于片上铌酸锂薄膜波导,实验上测得横电(TE)模式和横磁(TM)模式的耦合效率分别高达73.7%和64.8%,是目前已报道的铌酸锂薄膜波导耦合效率最高值,为铌酸锂集成光子学的工业化应用迈出关键一步。

关键词：微纳光纤回音壁模式微腔 Rabi劈裂铌酸锂波导强耦合四波混频倍频温度传感上转换单光子探测器

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差分量子密钥分配系统安全性分析与实验研究

差分量子密钥分配系统安全性分析与实验研究

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作者：李明明华南师范大学

学位级别：硕士

量子密钥分发(QKD)协议因其可以实现无条件安全、快捷的密钥分配，近年来已引起人们的广泛关注，是目前量子信息领域中特别具有现实意义的研究方向。目前的量子密钥分发(QKD)系统在理论和实验方面都有了很大进展，取得了丰硕的成果，但... 详细信息

量子密钥分发(QKD)协议因其可以实现无条件安全、快捷的密钥分配，近年来已引起人们的广泛关注，是目前量子信息领域中特别具有现实意义的研究方向。目前的量子密钥分发(QKD)系统在理论和实验方面都有了很大进展，取得了丰硕的成果，但QKD系统通信距离和安全码生成速率并不高，还不能与现有的电信网络集成，远远不能满足实际应用的需要，尤其是商业化的需求。这是因为由于BB84协议以及以后的许多协议都依赖于测量基的匹配来获得密码比特，协议效率不高。2002年提出的差分相位编码QKD方案(DPS-QKD)，不存在基匹配问题，协议效率高，可以提高码生成效率，在满足实用性需求方面显示出很大的优势，成为近年来研究的热点之一。本论文主要对差分相位编码QKD系统及其安全性做了较为全面系统的研究，并对系统做了改进以提高系统的稳定性。主要内容有： 1．采用理论与实验相结合的方法，系统地研究差分相位编码QKD系统(Differential Phase Shift QKD，DPS-QKD)安全性。着重分析了各种典型攻击方式下，DPS-QKD方案的安全性问题。对差分相位编码QKD系统与标准BB84 QKD系统的性能进行了比较。 2．首次将法拉第镜的光学特性运用在差分相位编码QKD实验系统上，设计并搭建采用弱激光脉冲光源和门控技术的DPS-QKD实验系统，提高了QKD系统的稳定性，具有重要的实用价值。并对系统的稳定性和安全性进行了分析。 3．在充分研究差分相位编码QKD系统结构和性能的基础上，从实验方案和实验技术两方面探讨了改进差分相位编码QKD系统性能的方法。

关键词：量子保密通信差分相位编码窃听法拉第镜上转换单光子探测器

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高性能单光子探测技术研究进展

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中国基础科学 2020年第1期22卷 25-29页

作者：尤立星张腊宝史生才张军中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室上海200050 南京大学电子科学与工程学院南京210000 中国科学院紫金山天文台毫米波与亚毫米波技术实验室南京210034 中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心合肥230026

"高性能单光子探测技术"项目针对光量子信息和量子调控,特别是广域量子通信网络对高性能单光子探测器(SPD)的需求,开展超导纳米线单光子探测器(SNSPD)、超导相变边缘单光子探测器(TES)、InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)以及上... 详细信息

"高性能单光子探测技术"项目针对光量子信息和量子调控,特别是广域量子通信网络对高性能单光子探测器(SPD)的需求,开展超导纳米线单光子探测器(SNSPD)、超导相变边缘单光子探测器(TES)、InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)以及上转换单光子探测器(UCD)研究。项目于2017年7月立项,项目执行期为5年,共包括4个课题。项目各课题研究工作正在按照计划有序推进,已顺利完成中期既定的任务和目标。SNSPD器件和APD及UCD等单光子探测器件性能已取得部分突破;特别是高效率SNSPD和小型化InGaAs/InP APD方面成果已经达到了国际领先水平。通过和专项其他项目承担单位合作,在应用演示方面取得了量子通信、光量子模拟、量子随机数和贝尔不等式验证等多项重大应用成果。部分器件指标及应用演示成果提前达到了项目结题考核指标。

关键词：单光子探测器超导纳米线单光子探测器超导相变边缘单光子探测器上转换单光子探测器 InGaAs/InP雪崩光电二极管探测效率暗计数

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