用于自由空间光学技术的单光子探测器

基于自由空间光学（FSO）系统，科研人员已经成功采用此技术完成链路通信。而任何通信系统都需要链路预算和系统噪声估计。根据应用，通信信道通过大气或大气与空间的组合来实现。当信号通过通信信道传输时，由于不同的物理效应而衰减，从而导致光损耗。无论信道是在真空还是在大气中建立，都会发生衰减。在真空中，衰减是由发散引起的。在大气中，衰减是由于吸收和散射，而吸收和散射又取决于波长和传输介质（雨、雾等）。FSO系统中存在的噪声可能是由于系统组件的固有噪声或背景辐射引起的。当在对链路信号能量要求不高时，可以采用对性能要求相对不高的面阵探测器进行适配。当激光通信链路的光信号很弱，需要在低功率下实现通信，那么就需要更灵敏的接收探测器装置。目前，在通过在接收器处使用单光子探测器（SPD），可以在高光损耗状态下运行FSO系统。使用SPD，到达探测器的信号可以衰减到单光子水平，并且仍然可以进行检测。

单光子探测器（SPD）是FSO通信系统中检测低强度信号的一种很好的解决方案。正如其名称所述，SPD能够以*的计时精度（低至50ps）检测单个光子的存在。这种高定时精度有助于区分同步信号和随机噪声。

图1 量子通信测试链路

上图为一个简单通信协议的测试设置，主要由ID300（激光器）、ID220（单光子探测器）以及ID800（计数器）构成（链路所用设备已有升级产品）。

可以使用脉冲位置调制（PPM）对单个光子上编码，简单编码发送激光脉冲表示“1，不发送激光脉冲表示“0"。例如，可以每2µs发送一个比特，实现500kbps的比特率。由于可以同步发送，任何超出预期时间的检测都可以标记为噪声，从而消除由于噪声引起的错误。

IDQ采用了图1的链路对这一类型的编码进行了测试，结果如图2所示：

图2 4位编码测试示意图

由图2可看出，在特定时间宽度内接收到的单光子信号。

当然，根据不同的测试需要，还需要选择适合项目链路探测器的运行方式，如门控式、自由运行式及超导纳米线式的探测器。IDQ公司具有多款运行方式的单光子探测器，波段分布在可见光和近红外光，可根据项目需求选择更适合实验的一种产品。

IDQ的ID100系列由紧凑且价格低廉的单光子探测器组成,时间分辨率(适用于TCSPC应用)和低死区时间。基于在可见光谱范围内敏感的硅雪崩光电二极管，该模块能够检测低至单光子水平的微弱光信号（可见光谱范围为:350 - 900 nm）。

产品特点：

◆350-900nm

◆时间分辨率（40 ps）

◆低死区时间（45 ns）

◆小IRF偏移@高计数率下

◆常规，标准和超低噪音等级

◆峰值光子探测在λ= 500 nm处

◆有效面积直径为20μm或50μm

◆自由空间或光纤耦合

◆不受强光照射损坏

◆没有双稳态

IDQ的ID120系列由紧凑且价格低廉的单光子探测器组成，其基于一个可靠的硅雪崩光电二极管，在可见光谱范围内非常敏感。ID120系列的新型探测器在可见光波段的红色区域和超高有效区域(红外)具有较高的探测效率。这种新型探测器作为自由空间模块，无源淬火，最大探测效率在800nm左右。

产品特点：

◆量子效率为60％@650nm

◆量子效率为80％@800nm

◆可调量子效率

◆可调二极管温度

◆可调死时间

◆通用双输出

◆Labview接口

◆C-mount，SM1，cage兼容

◆集成电子计数器

ID Qube NIR单光子雪崩探测器模块是在电信波长单光子检测方面的突破。ID Qube可提供精确可靠的单光子检测，具有高量子效率、低时间抖动和低噪声的优点。它不仅在单光子检测上是一种经济高效的解决方案，也非常适合有紧凑性需求的应用，如激光雷达等。有两种型号可供选择：

1.The ID Qube NIR Free-Running模块，为电信波长自由运行的单光子检测带来了重大突破，用在需要异步光子探测的应用，如光子相关性或飞行时间的测量。

2.The ID Qube NIR Gated模块，是一种针对电信波长优化的快速门控单光子探测器，用于需要同步光子检测的应用，如量子通信和量子密钥分配。

产品特点：

◆结构紧凑，价格经济，性能可靠

◆快速门控（可达100MHz）＆自由运行

◆超低噪音(＜800cps, 10%)

◆低抖动(<200ps，通常<150ps)

◆自由空间或光纤耦合光输入

◆宽频带检测（900-1700nm）

ID230是电信波长自由运行模式下单光子探测的重大突破，由于改进的冷却系统和适用的电子设备，这一系列探测器在电信波长下具有低的暗计数率和高达25%并可调的量子效率。在盖革模式下工作的雪崩光电二极管可冷却至-90℃。该系列专为异步光子探测的应用而设计。

产品特点：

◆波长范围900-1700nm

◆的暗计数率

 <50 Hz@量子效率为10％

 <200 Hz@量子效率为20％

◆可调量子效率高达25％

◆150 ps时间分辨率

◆可调节死区时间为2μs到100μs

◆可调温度范围为-50°C至-90°C

◆单模或多模光纤输入

ID Quantique (IDQ)是一家成立于2001年的全球性公司，总部位于瑞士，在各地区设有多个办公室、工程和研究实验室。IDQ持续的激情，对创新的强烈关注以及专业团队的灵活性和丰富经验，使IDQ成为量子安全密码学、科学仪器领域的行家。IDQ致力于量子传感和量子密码解决方案领域，其产品被60多个国家和大洲的政府、企业和学术客户使用。

西安立鼎光电为瑞士IDQ中国区的合作伙伴，可以为您提供专业的咨询和售前、售中以及售后服务。