【儀表儀表網(wǎng) 儀表上游】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張軍等在上實現(xiàn)1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測器單片集成讀出電路，該技術(shù)突破可使高速量子通信終端設(shè)備中體積占比大的探測器模塊尺寸減小一個數(shù)量級以上，為未來研制小型化量子通信系統(tǒng)奠定了重要的器件基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)快報》上。
 

(圖片來源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))
 

　　單光子探測器是微弱光測量靈敏的儀器，在量子信息、激光雷達(dá)、光纖傳感、生物熒光探測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。在量子通信系統(tǒng)中，通信波段單光子探測器是核心器件，其性能直接決定了通信距離、通信速率等關(guān)鍵參數(shù)。目前主流的通信波段單光子探測解決方案包括上轉(zhuǎn)換單光子探測器、超導(dǎo)納米線單光子探測器和InGaAs/InP雪崩二極管單光子探測器。InGaAs/InP單光子探測器具有成本低、體積小、無需超低溫制冷等優(yōu)勢，已在實用化量子通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
 

　　提高門控工作頻率、提升系統(tǒng)集成度是InGaAs/InP單光子探測器研究方向上重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。2012年以前，我國所有的量子通信網(wǎng)絡(luò)中使用的該類型探測器工作頻率均不超過10MHz，嚴(yán)重制約了通信距離和通信速率。潘建偉團(tuán)隊通過發(fā)展正弦門控、集成濾波、后脈沖標(biāo)定等一系列關(guān)鍵技術(shù)，2012年在上研制出板級集成的1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測器，將工作頻率提升了兩個數(shù)量級以上，探測器系統(tǒng)體積降為2U標(biāo)準(zhǔn)機箱尺寸。此后，該團(tuán)隊進(jìn)一步研制出符合電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四通道集成高速單光子探測器板卡，再次提升了探測器系統(tǒng)集成度。這些高速探測器在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“光纖量子通信綜合應(yīng)用演示網(wǎng)絡(luò)”中遠(yuǎn)距離試驗床和“濟(jì)南量子通信試驗網(wǎng)”等網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行長期測試，整體性能和穩(wěn)定性得到有效驗證，并在量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗證及應(yīng)用示范項目中得到規(guī)?；膽?yīng)用。
 

　　針對未來對小型化量子通信設(shè)備的迫切需求，需要進(jìn)一步減小高速單光子探測器的體積。為此，潘建偉團(tuán)隊在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了新型微弱雪崩信號提取技術(shù)，并利用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)，終研制出1.25GHz單光子探測器的單片集成讀出電路芯片，尺寸為15mm×15mm。該芯片應(yīng)用于探測器系統(tǒng)后，經(jīng)性能表征，-50℃條件下探測效率為27.5%、暗計數(shù)為1.2kcps，與采用板級集成的讀出電路的測試結(jié)果幾乎一致，芯片的功能特性得到驗證。對該芯片進(jìn)行70小時的連續(xù)性測試，指標(biāo)參數(shù)保持不變，芯片的穩(wěn)定性得到驗證。
 

　　下一步，利用光電集成技術(shù)，可實現(xiàn)上述單片集成讀出電路芯片與InGaAs/InP雪崩二極管芯片和微型熱電制冷器的混合集成，形成高速單光子探測器集成組件，并與探測器系統(tǒng)附屬電路相結(jié)合，終實現(xiàn)一體化集成的微型高速單光子探測器模塊。經(jīng)測算，與現(xiàn)有同功能高速單光子探測器相比，該模塊體積可減小20倍，這為小型化量子通信系統(tǒng)的研制提供有力支撐。
 

　　(原標(biāo)題：中國科大在小型化量子通信系統(tǒng)研制方面實現(xiàn)技術(shù)突破)