Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
2 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
3 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We demonstrate the photon-number resolution (PNR) capability of a 1.25 GHz gated InGaAs single-photon avalanche photodiode (APD) that is equipped with a simple, low-distortion ultra-narrowband interference circuit for the rejection of its background capacitive response. Through discriminating the avalanche current amplitude, we are able to resolve up to four detected photons in a single detection gate with a detection efficiency as high as 45%. The PNR capability is limited by the avalanche current saturation, and can be increased to five photons at a lower detection efficiency of 34%. The PNR capability, combined with high efficiency and low noise, will find applications in quantum information processing technique based on photonic qubits.
single photon avalanche diode (APD) photon number resolution (PNR) detection efficiency 
Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032702
吴晓薇 1杨雷 1,*展月英 1孙扬 1,2[ ... ]王强 1
作者单位
摘要
1 中国科学院空间应用工程与技术中心,北京 100094
2 中国科学院大学,北京 100094
激光通信是近年深空探测领域的研究热点之一。深空激光通信采用脉冲位置调制(PPM)提升通信能量效率,并使用单光子探测器以高效地接收信号。其中,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被广泛认可是最优选择之一。本文分析了SNSPD的死时间和抖动特性,以及高速脉冲信号的拖尾现象,对基于PPM-SNSPD调制探测方式的深空激光通信产生的影响,并计算了SNSPD在该体系下的光子计数特性。基于分析,提出一种偏移补偿保护时隙PPM符号同步算法。相较普通的保护时隙同步算法,所提算法能有效减少PPM-SNSPD体系下的同步误差,提升系统误码率。
自由空间光通信 深空激光通信 脉冲位置调制 单光子探测器 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706012
童启夏 1,2雷勇 1,2申向伟 1,2谌晨 1,2[ ... ]蔡善勇 3
作者单位
摘要
1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 量子信息芯片与器件重庆重点实验室,重庆 400060
3 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室,北京 100876
为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。
InGaAs/InP 单光子探测器 单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 光子探测效率 激光通信 
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706011
作者单位
摘要
1 中国科学院深圳先进技术研究院,广东 深圳 518052
2 奥比中光科技集团股份有限公司,广东 深圳 518055
基于单光子雪崩二极管(SPAD)的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案,提高研发效率,降低研发成本。因此,从系统子模块的特性出发,利用时间相关单光子计数技术(TCSPC)和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型,得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器(TDC)和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明:在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×103 lx、目标反射率为10%的条件下,主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当;当目标反射率增加到50%后,主动复位电路的系统性能优于被动复位电路;类似地,多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC,主要表现在,与单事件首光子TDC相比,多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布,其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值,寻峰算法更简单,算力需求更少。仿真结果表明,为使系统性能最优化,SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。
激光雷达 单光子雪崩二极管 建模与仿真 淬灭电路 时间数字转换器 
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1028003
作者单位
摘要
1 上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测全国重点实验室,上海 200083
InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件,已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法;系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法;针对高频信号输出,总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题;展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。
雪崩光电二极管 InGaAs 单光子探测器 封装 
激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0900009
宋海智 1,2,3张子昌 1周强 2邓光伟 2[ ... ]王浟 1,2
作者单位
摘要
1 西南技术物理研究所 量子研究中心,四川 成都 610046
2 电子科技大学 基础与前沿研究院,四川 成都 611731
3 长春理工大学 高功率半导体激光器实验室,吉林 长春 130013
量子科技的发展多年来得到了光电技术的有力支撑,笔者团队由此进行了一系列光电量子器件的研究和开发。为在光纤量子通信中实现单光子信号的按需产生,笔者设计了几种微纳柱型光腔-量子点单光子源;发展了频分复用技术,研制了高纯度、高全同的宣布式单光子源;利用GaN缺陷的单光子特性,制备了室温量子随机数发生器。笔者优化周期极化铌酸锂的级联波导结构设计,大幅提升了通信波段量子纠缠光源性能,使保真度高于97%,噪声特性提高10倍;设计和制备Si3N4微环腔纠缠源器件,实现了99%的干涉可见度,展示了芯片集成量子光源的技术可行性;应用所制备的纠缠光源,实现了数十千米光纤基量子密钥分发和量子隐形传态。笔者发展了单光子探测器制造工程,研制了用于太阳光谱量子测量的低噪声高速雪崩单光子探测器和用于量子成像的128×32及以上规模的雪崩焦平面单光子探测器。笔者制备了光纤基量子存储器,实现了1 650个光子模式的有效存储;研究了光机械量子器件的原理机制,探索了纳米光机电系统用于量子精密测量的技术前景。希望以上综述为未来量子信息网络的发展提供研究参考和技术储备。
光电子学 量子器件 量子信息 单光子 量子纠缠 量子网络 optoelectronics quantum device quantum information single photon quantum entanglement quantum network 
红外与激光工程
2024, 53(1): 20230560
作者单位
摘要
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200241
单光子探测技术具有高灵敏度、低时间抖动、低功耗等独特优势,在激光测距和成像中的应用越来越广泛。基于此,提出一种低成本的高精度单光子测距技术。利用窄脉冲电路驱动激光二极管产生脉宽为160 ps的窄脉冲激光,利用多像素光子计数器研制时间抖动为417 ps的低时间抖动单光子探测器,降低系统的整体时间抖动,并搭建高精度单光子测距实验装置。测距实验结果表明,在2 m的测距量程内,单光子测距系统的距离测量精度可达370 μm@RMS。实验装置采用同轴光路设计,结构简单,易于集成,为实现小型化低功耗高精度单光子测距系统提供了一种可行性的解决方案。
激光测距 单光子探测器 亚毫米 光子计数 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512007
Tingqin Lai 1,2Xiaolin Liang 1,2Yi Zhu 3Xinyi Wu 1,2[ ... ]Shihai Sun 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronics and Communication Engineering, Sun Yat-sen University, Shenzhen 518107, China
2 Shenzhen Campus of Sun Yat-sen University, Shenzhen 518107, China
3 Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
Recently, there has been increased attention toward 3D imaging using single-pixel single-photon detection (also known as temporal data) due to its potential advantages in terms of cost and power efficiency. However, to eliminate the symmetry blur in the reconstructed images, a fixed background is required. This paper proposes a fusion-data-based 3D imaging method that utilizes a single-pixel single-photon detector and millimeter-wave radar to capture temporal histograms of a scene from multiple perspectives. Subsequently, the 3D information can be reconstructed from the one-dimensional fusion temporal data by using an artificial neural network. Both the simulation and experimental results demonstrate that our fusion method effectively eliminates symmetry blur and improves the quality of the reconstructed images.
single-pixel imaging single-photon imaging millimeter-wave radar neural network 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 022701
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 上海科技大学信息科学与技术学院,上海 201210
对于单光子测距雷达系统而言,发射激光脉冲瞬间和近场强后向散射带来的强背景光噪声信号均会导致光电倍增管产生强光感生噪声(SIN),严重影响后续目标的探测。为精确标定单光子量级的SIN,基于自主研制的单光子测距回波模拟器和固定脉宽为10 ns的脉冲激光器搭建了一套完备的SIN检测与评估平台。测量了不同能量的强背景光条件下的SIN,并使用相关经验公式对噪声进行了拟合。结合实际测距雷达系统,为满足百公里级测距目标反演的信噪比要求,应控制到达探测器处近场强背景光能量小于100 pJ。该研究为单光子测距激光雷达系统的性能评估提供了重要参考。
遥感与传感器 单光子测距 强光感生噪声 光电倍增管 回波模拟器 
激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428011
Ling-Dong Kong 1,2,*†Tian-Zhu Zhang 1,2Xiao-Yu Liu 1,2Hao Li 1,2[ ... ]Li-Xing You 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 Chinese Academy of Sciences (CAS), Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, National Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai, China
2 CAS Center for Excellence in Superconducting Electronics, Shanghai, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, Beijing, China
Efficient and precise photon-number-resolving detectors are essential for optical quantum information science. Despite this, very few detectors have been able to distinguish photon numbers with both high fidelity and a large dynamic range, all while maintaining high speed and high timing precision. Superconducting nanostrip-based detectors excel at counting single photons efficiently and rapidly, but face challenges in balancing dynamic range and fidelity. Here, we have pioneered the demonstration of 10 true photon-number resolution using a superconducting microstrip detector, with readout fidelity reaching an impressive 98% and 90% for 4-photon and 6-photon events, respectively. Furthermore, our proposed dual-channel timing setup drastically reduces the amount of data acquisition by 3 orders of magnitude, allowing for real-time photon-number readout. We then demonstrate the utility of our scheme by implementing a quantum random-number generator based on sampling the parity of a coherent state, which guarantees inherent unbiasedness, robustness against experimental imperfections and environmental noise, as well as invulnerability to eavesdropping. Our solution boasts high fidelity, a large dynamic range, and real-time characterization for photon-number resolution and simplicity with respect to device structure, fabrication, and readout, which may provide a promising avenue towards optical quantum information science.
superconducting microstrips single-photon detector photon-number resolution quantum random number 
Advanced Photonics
2024, 6(1): 016004

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