雪崩光电二极管光子数可分辨探测的原理和技术研究

光子数可分辨探测是研究量子光学的重要方法，能够有效推动光量子计算、量子保密通信、量子光学基本原理验证等方面的研究工作。本项目旨在研究雪崩光电二极管（APD）光子数可分辨探测的原理和技术。通过发展新型的尖峰噪声抑制方法- - 级联自差分技术，使尖峰噪声抑制比超过30dB。基于该技术基础，开展APD光子数可分辨探测的物理机制和规律的研究，从而提高光子数分辨能力，其中包括：APD光子数可分辨探测的工作区域划分和定义，以及与饱和"盖格"模式和线性模式的过渡特性；增益与抑制额外噪声系数的关系；后脉冲与门脉冲宽度的关系等。并且发展Si APD光子数可分辨探测，从而提高探测效率，拓展APD光子数可分辨探测的响应波长和应用领域。

光子数可分辨探测是研究量子光学的重要方法。本项研究通过发展新型的尖峰噪声抑制技术，使得雪崩光电二极管（APD）工作在“亚饱和盖格模式”，突破了传统的 “盖格”模式的APD增益饱和限制，利用单个APD实现了光子数可分辨探测，并且深入研究和分析了“亚饱和盖格模式”的光子数可分辨性能以及物理机理；通过基于Si APD阵列的新器件-多像素光子计数器（MPPC），成功实现了高性能的可见波段光子数可分辨探测，可清晰分辨光子数超过9个；发展了低通滤波正弦驱动技术，实现了1GHz重复频率的InGaAs APD近红外单光子探测。另外，我们成功演示了光子数可分辨探测以及高速近红外单光子探测在量子随机数产生和激光测距等方面的应用，证明了光子数可分辨探测方法可以解决光子计数在激光测量领域中遇到的关于测量速度和背景光噪声等难题。