最近，九三學(xué)社中央副主席、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉及同事張軍等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測(cè)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)備中體積占比最大的探測(cè)器模塊尺寸減小一個(gè)數(shù)量級(jí)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)表于光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《光學(xué)快報(bào)》[Optics Letters 42, 5090 (2017)]。
單光子探測(cè)器是微弱光測(cè)量最靈敏的儀器，在量子信息、激光雷達(dá)、光纖傳感、生物熒光探測(cè)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(cè)器是其中的核心器件，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(cè)解決方案包括上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器、超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器和InGaAs/InP雪崩二極管單光子探測(cè)器。InGaAs/InP單光子探測(cè)器具有成本低、體積小、無需超低溫制冷等優(yōu)勢(shì)，已在實(shí)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(cè)器研究方向上最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。2012年以前，我國(guó)所有的量子通信網(wǎng)絡(luò)中使用的該類型探測(cè)器工作頻率均不超過10 MHz，嚴(yán)重制約了通信距離和通信速率。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過發(fā)展正弦門控、集成濾波、后脈沖精確標(biāo)定等一系列關(guān)鍵技術(shù)，于2012年在國(guó)際上首次研制出板級(jí)集成的1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測(cè)器[Review of Scientific Instruments 83, 083111 (2012)]，將工作頻率提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)探測(cè)器系統(tǒng)體積降為2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱尺寸。此后，該團(tuán)隊(duì)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(cè)器板卡，再次提升了探測(cè)器系統(tǒng)集成度。這些高速探測(cè)器率先在“863項(xiàng)目”—“光纖量子通信綜合應(yīng)用演示網(wǎng)絡(luò)”中遠(yuǎn)距離試驗(yàn)床和“濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)”等網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了長(zhǎng)期測(cè)試，整體性能和穩(wěn)定性得到有效驗(yàn)證，并在量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目中得到規(guī)?；膽?yīng)用。
針對(duì)未來對(duì)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(cè)器的體積。為此，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(hào)提取技術(shù)，并利用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)，最終研制出1.25 GHz單光子探測(cè)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(cè)器系統(tǒng)后，經(jīng)性能表征，-50℃條件下探測(cè)效率為27.5%、暗計(jì)數(shù)為1.2 kcps，與采用板級(jí)集成的讀出電路的測(cè)試結(jié)果幾乎一致，芯片的功能特性得到驗(yàn)證。隨后對(duì)該芯片進(jìn)行70小時(shí)的連續(xù)性測(cè)試，指標(biāo)參數(shù)保持不變，芯片的穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。
下一步，利用光電集成技術(shù)，可實(shí)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(cè)器集成組件，并與探測(cè)器系統(tǒng)附屬電路相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)一體化集成的微型高速單光子探測(cè)器模塊。經(jīng)測(cè)算，與現(xiàn)有同功能高速單光子探測(cè)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)的研制提供了有力支撐。
該工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、教育部、中科院等單位的資助。
