劉長明,張鵬舉,林永杰,沈榮仁,劉紅波,史學(xué)舜,莊新港,吳 斌

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,青島 266500)

1 引言

隨著光量子技術(shù)的快速發(fā)展,單光子探測技術(shù)在量子密鑰分發(fā)、量子光學(xué)、天文觀測、生物熒光檢測等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。隨著相關(guān)工藝的發(fā)展,單光子探測器性能得到較大提升,同時(shí)國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)測試、校準(zhǔn)技術(shù)研究,具有代表性的計(jì)量機(jī)構(gòu)有美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)[5,6]、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)[7,8]、意大利國家計(jì)量院[9,10]、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院[11]、中國電科41 所[12];代表研究項(xiàng)目主要是歐盟MIQC 項(xiàng)目[13]。單光子探測器特性參數(shù)主要有暗計(jì)數(shù)率、探測效率、后脈沖概率、死時(shí)間、時(shí)間抖動(dòng)和飽和計(jì)數(shù)率等。其中,探測效率作為單光子探測器的核心參數(shù),是校準(zhǔn)技術(shù)的研究重點(diǎn),暗計(jì)數(shù)率、后脈沖概率決定了探測信噪比,而時(shí)間抖動(dòng)則決定了測距精度,文中將重點(diǎn)圍繞以上幾個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)簡要介紹國內(nèi)外研究進(jìn)展。

2 單光子探測器

單光子探測器從工作機(jī)理上分基于光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)兩類,基于光電效應(yīng)的主要有單光子雪崩光電二極管(APD)和光電倍增管(PMT)[14];基于光熱效應(yīng)的主要有超導(dǎo)納米線和超導(dǎo)邊緣轉(zhuǎn)換單光子探測器[15,16]。從探測性能、工作環(huán)境要求、系統(tǒng)復(fù)雜度、尺寸功耗等多方面比較來看,APD 綜合性能優(yōu)勢明顯,是目前應(yīng)用最廣泛的單光子探測器件。

APD 單光子探測器主要有可見—近紅外波段響應(yīng)的Si-APD 和近紅外波段響應(yīng)的InGaAs/InPAPD 兩類,其中Si-APD 暗計(jì)數(shù)率和后脈沖概率已能控制在較低水平,通常工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式;受材料和工藝限制,當(dāng)前InGaAs/InP-APD 的性能仍不能提升至Si-APD 單光子探測器水平,所以為降低暗計(jì)數(shù)率和抑制后脈沖概率,InGaAs/InP-APD 單光子探測器通常工作在蓋革模式下,典型工作示意如圖1 所示。單光子探測器探測到一個(gè)光子后,以一定概率產(chǎn)生一次光子計(jì)數(shù),為抑制雪崩,淬滅電路介入使探測器進(jìn)入一段死時(shí)間,死時(shí)間過后后脈沖計(jì)數(shù)出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)高于暗計(jì)數(shù)率出現(xiàn)的概率,隨后逐漸降低至與暗計(jì)數(shù)率同等水平。

受材料缺陷、工藝水平、驅(qū)動(dòng)和淬滅電路等的限制,目前主流的量子保密通信波段APD 單光子探測器的探測效率最高到30 %,暗計(jì)數(shù)率約10-6/門,時(shí)間抖動(dòng)在百ps 量級。后脈沖概率根據(jù)工作參數(shù)的不同差異較大[17],探測效率由10% 變化至30%時(shí),后脈沖概率可能由1 %增大至100 %。超導(dǎo)類單光子探測器探測效率最高可達(dá)90 %,暗計(jì)數(shù)率率最低＜10 Hz,但由于其運(yùn)行環(huán)境較為苛刻,如需要超低溫工作環(huán)境,只適合在部分場合內(nèi)使用。由于單光子探測器工作物理機(jī)制較為復(fù)雜,各參數(shù)之間并不是獨(dú)立不相關(guān),產(chǎn)品在定型時(shí)性能指標(biāo)的設(shè)定須考慮其各性能參數(shù)之間的平衡。作為單光子探測器最核心的參數(shù),各種應(yīng)用都需要探測效率盡量高,但提高探測效率的同時(shí)暗計(jì)數(shù)率、后脈沖概率會(huì)顯著提高;引入死時(shí)間降低后脈沖概率的同時(shí)會(huì)降低探測效率,所以單光子探測器的性能參數(shù)需要根據(jù)當(dāng)前的工作條件進(jìn)行設(shè)定與校準(zhǔn)。

3 單光子探測器校準(zhǔn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的探測效率校準(zhǔn)

基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的探測效率校準(zhǔn)分直接法和間接法兩種。直接法是利用低噪聲探測器對單光子強(qiáng)度進(jìn)行直接校準(zhǔn);間接法是利用標(biāo)準(zhǔn)光電探測器對激光初始光功率值和多級濾光片的衰減值分別進(jìn)行校準(zhǔn)后,間接得出最終輸出的單光子強(qiáng)度。間接法的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)組成較為簡單,覆蓋波段寬,難點(diǎn)在于如何將大動(dòng)態(tài)范圍的光衰減進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。該方案的普適性較高,各國計(jì)量測試研究機(jī)構(gòu)均開展了相關(guān)研究,并通過縮短溯源鏈路、提高光源的功率穩(wěn)定性、采用線性優(yōu)異的光電二極管來對衰減器分別進(jìn)行標(biāo)定等措施,使得測量準(zhǔn)確度得到明顯提高。國外代表研究機(jī)構(gòu)有德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)[18],測量裝置示意圖如圖2 所示,可見光波段單光子探測器探測效率測量不確定度約0.2 %(k=1)。國內(nèi)代表研究機(jī)構(gòu)有中國電科41 所等單位[19],測量裝置示意圖如圖3 所示,所示探測效率測量不確定度0.3 %(k=1)。

圖2 PTB 利用標(biāo)準(zhǔn)探測器校準(zhǔn)單光子探測器探測效率示意圖Fig.2 Sketch map of detection efficiency of single photon detectors calibrated by PTB

圖3 中國電科41 所單光子探測器探測效率校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of single photon detector detection efficiency calibration device at the 41st Institute of CETC

隨著微弱電流信號(hào)測量準(zhǔn)確度的提高,直接利用低噪聲探測器對單光子強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)成為可能,代表研究機(jī)構(gòu)有美國NIST[20]、捷克國家計(jì)量院CMI[21]、韓國國家計(jì)量院[22-24]等。2016 年,德國PTB 與捷克CMI 進(jìn)行了一次比對實(shí)驗(yàn),利用低噪聲探測器直接測量和激光衰減產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)單光子源對單光子探測器探測效率進(jìn)行測量開展了比對實(shí)驗(yàn),比對實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示,比對結(jié)果顯示En值小于0.6,具有較好的一致性[25,26]。

圖4 德國PTB 與捷克CMI 比對實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of comparative experiment between PTB and CMI

3.2 基于相關(guān)光子對的探測效率校準(zhǔn)

基于相關(guān)光子對的探測效率校準(zhǔn)原理為:通過非線性晶體的參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生成對的相關(guān)光子,通過分光使兩路光子沿不同的通道傳輸,并利用單光子探測器對兩路光子進(jìn)行探測。若其中一路探測到光子,因能量守恒則預(yù)示著另一路必然會(huì)有相關(guān)聯(lián)的光子存在。對兩路單光子探測器的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行符合測量,結(jié)合已知的兩路計(jì)數(shù)信號(hào)和待測通道光路透過率后即可計(jì)算得到探測效率值。因該校準(zhǔn)方法溯源至客觀量子物理規(guī)律,有別于傳統(tǒng)的溯源至客觀標(biāo)準(zhǔn)的方法,所以是一種典型的“無標(biāo)準(zhǔn)傳遞”校準(zhǔn)方案,同時(shí)符合計(jì)量量子化和扁平化的發(fā)展趨勢。開展基于相關(guān)光子對進(jìn)行探測效率校準(zhǔn)的國外研究機(jī)構(gòu)主要有美國NIST[27]、意大利國家計(jì)量院[28]、英國NPL[29]等,探測效率測量不確定度約0.2 %(k=1);國內(nèi)主要有中國計(jì)量科學(xué)研究院、中科院合肥物質(zhì)研究院、中國電科41 所等單位,探測效率測量不確定度＜0.5 % (k=1)[30-33]。相關(guān)光子對法作為一種新型的校準(zhǔn)方法,從保證其測量準(zhǔn)確度的角度出發(fā),需要利用現(xiàn)有的量值手段進(jìn)行比對驗(yàn)證,從而證明其有效和可行性。國內(nèi)外開展相關(guān)光子法和標(biāo)準(zhǔn)探測器法比對驗(yàn)證研究的典型代表機(jī)構(gòu)有美國NIST[27]、英國NPL[29],可見光波段利用標(biāo)準(zhǔn)探測器和相關(guān)光子法校準(zhǔn)單光子探測器探測效率比對值En＜1。

3.3 后脈沖概率校準(zhǔn)

單光子探測器探測到光子引發(fā)雪崩過程會(huì)產(chǎn)生大量載流子,絕大多數(shù)載流子會(huì)通過雪崩抑制電路釋放,但仍有小部分載流子會(huì)被低能級缺陷捕獲,當(dāng)雪崩被抑制經(jīng)過一段死時(shí)間后,這些被缺陷捕獲的載流子開始釋放并再次觸發(fā)雪崩從而引發(fā)后脈沖計(jì)數(shù),因此在沒有光子信號(hào)入射時(shí)單光子探測器輸出的誤計(jì)數(shù)便是后脈沖計(jì)數(shù)[34]。一次光子計(jì)數(shù)可能引起初級及次級后脈沖計(jì)數(shù),同理,這些后脈沖計(jì)數(shù)還會(huì)引起多級后脈沖計(jì)數(shù),以上多級后脈沖計(jì)數(shù)之和與光子計(jì)數(shù)的比值便是后脈沖概率。因此,后脈沖概率測量的關(guān)鍵在于如何將探測器進(jìn)行一次有效計(jì)數(shù)后引起的后脈沖計(jì)數(shù)全部測量出來。Si-APD 單光子探測器后脈沖概率可控制在1 %以內(nèi),通常工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式,而為了降低后脈沖概率,InGaAs/InP-APD 單光子探測器通常工作在蓋革模式。針對蓋革模式下后脈沖概率的測量,美國Princeton Lightwave 公司在2012 年,提出了一種基于“雙時(shí)序”的后脈沖概率測量方案,如圖5 所示[35],測量時(shí)設(shè)置激光頻率遠(yuǎn)小于探測器的工作頻率,圖5 中激光頻率與單光子探測器頻率之比設(shè)定為1 ∶128。分別記錄與激光同步的計(jì)數(shù)信號(hào)以及探測器輸出的總計(jì)數(shù)信號(hào),可將初級和衍生的高階后脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行整體測量,是目前測量準(zhǔn)確度較高的一種測量方案,廣泛應(yīng)用于后脈沖概率的校準(zhǔn)中。

圖5 后脈沖概率測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of afterpulsing probability measurement

3.4 時(shí)間抖動(dòng)校準(zhǔn)

時(shí)間抖動(dòng)是表征單光子探測器時(shí)間精度特性的參數(shù)。單光子探測器探測到光子至輸出脈沖信號(hào)的過程需要一定的時(shí)間,這種時(shí)間的差異便是單光子探測器的時(shí)間抖動(dòng)。典型時(shí)間抖動(dòng)校準(zhǔn)示意如圖6 所示,基于同一時(shí)序發(fā)生器分別觸發(fā)脈沖光源和待測單光子探測器,短脈沖光源經(jīng)衰減后入射待測單光子探測器,分別將單光子探測器計(jì)數(shù)信號(hào)和脈沖光源同步觸發(fā)接入時(shí)間相關(guān)測量。通過時(shí)間相關(guān)測量儀器的符合測量模式,測量計(jì)數(shù)信號(hào)與觸發(fā)信號(hào)之間的延時(shí)分布,延時(shí)分布曲線全波半高寬為整個(gè)校準(zhǔn)裝置的時(shí)間抖動(dòng)ΔT,該值由脈沖光源脈沖寬度Tlaser、單光子探測器時(shí)間抖動(dòng)Tjitter和時(shí)間相關(guān)測量儀器自身時(shí)間抖動(dòng)Ttac共同決定:

圖6 典型時(shí)間抖動(dòng)測量裝置組成圖Fig.6 Typical composition diagram of time jitter measuring devices

利用示波器等儀器分別測得脈沖光源脈沖寬度Tlaser和時(shí)間相關(guān)測量儀器自身時(shí)間抖動(dòng)Ttac后帶入式(1),最終得到單光子探測器時(shí)間抖動(dòng)Tjitter,測量不確定度一般在5 %以內(nèi)。

4 結(jié)束語

對單光子探測器校準(zhǔn)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡述,國內(nèi)外計(jì)量研究機(jī)構(gòu)在基于傳統(tǒng)光輻射量傳體系與溯源至客觀量子物理現(xiàn)象的新型校準(zhǔn)技術(shù)方向均開展了大量研究,在計(jì)量量子化變革的背景下,溯源至量子物理現(xiàn)象的新機(jī)制計(jì)量測試設(shè)備,能夠直接將最高測量準(zhǔn)確度在現(xiàn)場復(fù)現(xiàn),是未來單光子探測器校準(zhǔn)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。