高速高可靠低成本紅外單光子探測器的研究

現(xiàn)代量子通信技術(shù)正在從高速光纖通信方式向星天地一體化全球覆蓋方式發(fā)展，紅外單光子探測器作為量子通信系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，需要超高精度地瞄準、捕獲和探測，其性能指標需要進一步提高才能得到應(yīng)用。目前量子信息技術(shù)中，最重要的是基礎(chǔ)量子元器件、硬件系統(tǒng)及設(shè)備無關(guān)探測等，單光子探測器作為量子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，高速高可靠低成本是未來的發(fā)展趨勢，需要進一步加強研究才能更好滿足量子通信技術(shù)的需求。 本研究項目主要針對單光子探測器的探測效率、暗計數(shù)率和計數(shù)重復(fù)率等關(guān)鍵技術(shù)指標，研制出一種并行雪崩光電二極管陣列紅外單光子探測系統(tǒng)，具有高速高可靠低成本等優(yōu)點。該系統(tǒng)使用多個分立APD器件組成并行APD陣列結(jié)構(gòu)將單光子信號轉(zhuǎn)換成雪崩電信號，利用直流偏置電壓電路使并行APD陣列工作于蓋革模式，利用高速脈沖門控時序信號電路以及多通道光開關(guān)實現(xiàn)并行APD陣列的通道時序切換功能，解決了減小死時間提高計數(shù)重復(fù)率與降低后脈沖幾率降低暗計數(shù)之間的矛盾，輸出的雪崩電信號經(jīng)過信號探測電路的低通濾波和寬帶放大處理，本系統(tǒng)中還使用了脈沖門控低通濾波的信號處理方法，通過減小門控信號寬度、提高雪崩增益、抑制結(jié)電容微分效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰噪聲等方法，提高了雪崩信號的信噪比，同時采用一系列優(yōu)化的電子學(xué)檢測方法，通過自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整甄別電平等方法，提高檢測靈敏度，分析APD的最佳工作狀態(tài)，通過減小死時間和降低后脈沖效應(yīng)影響方法降低暗計數(shù)由信號模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由信號處理電路進行甄別探測和計數(shù)，最后輸出各種類型的數(shù)字信號。并在此基礎(chǔ)上完成了相關(guān)實驗研究，測試結(jié)果表明，使用1.6GHz的脈沖門控信號頻率進行測量，8通道的并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)的重復(fù)頻率為1GHz，暗計數(shù)率為5.92×10-5，探測效率為10.0%。使用并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測系統(tǒng)可以大幅度減小死時間,有效克服后脈沖效應(yīng)，提高單光子探測的工作頻率和重復(fù)計數(shù)率，能滿足未來百公里級以上的高速遠距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。 在此基礎(chǔ)上在光學(xué)精密工程核心期刊上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文1篇，獲得1項實用新型專利，申請了1項發(fā)明專利。 2100433B

單光子探測器是量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，也是量子信息技術(shù)的關(guān)鍵器件之一。紅外單光子探測器是光纖量子密碼通信的研究重點，由于光纖存在極化模式色散效應(yīng)的固有損耗以及傳輸信道受環(huán)境影響導(dǎo)致量子糾纏品質(zhì)下降，光纖量子通信系統(tǒng)的傳輸可靠性、速度和傳輸距離受到嚴重限制，對單光子探測器提出更高要求。本項目主要針對上述問題研究高速高性能高可靠低成本的單光子探測器，提出一種新型的并行APD結(jié)構(gòu)探測方法，解決死時間計數(shù)重復(fù)率與暗計數(shù)之間的矛盾，使用GHz門控正弦波信號低通濾波的專利技術(shù)，顯著提高雪崩信號信噪比、探測器的探測速度和探測效率；提出一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整甄別電平的方法，提高探測器的檢測靈敏度和可靠性；實現(xiàn)高速高性能高可靠低成本的紅外單光子探測器，其關(guān)鍵技術(shù)指標為門控正弦波信號頻率達5GHz、探測效率大于10%、暗計數(shù)率低于10-7、計數(shù)重復(fù)率達到1GHz，以滿足未來高速遠距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。

高性能低成本高速鋼專利目的

《高性能低成本高速鋼》所要解決的技術(shù)問題是提供了一種高性能低成本高速鋼，不僅要進一步降低稀缺元素的含量，從而使鋼材成本大幅減少；而且其性能達到通用高速鋼M2水平，尤其在高轉(zhuǎn)速、大進刀量條件下使用時性能優(yōu)于M2鋼。

高性能低成本高速鋼技術(shù)方案

《高性能低成本高速鋼》所采用的技術(shù)方案是，該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03Wt％，其余為Fe。

上述合金元素中的C、W、Cr、Mo、V在高速鋼中的作用已為公知。該發(fā)明中Si作為主要合金元素并高含量地加入，其主要作用機理在于：Si能促使高速鋼凝固時形成的對性能有害的M2C在再次加熱時分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細化，韌性提高。此外，Si還能細化回火時析出的二次碳化物，使回火硬度提高；Si能細化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度；Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。雖然有專利如公開號CN1296084A、CN1047536A、CN1055773A、CN1049189A等合金中也加入了Si，但其成分設(shè)計中Si含量的上限也均在該發(fā)明的下限之下；在其它的一些文獻報道中，Si在高合金高速鋼中雖然也有應(yīng)用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素應(yīng)用。該發(fā)明中加入高含量RE，其主要作用機理在于：RE能凈化鋼液，進而凈化合金的晶界，并有細化晶粒、碳化物析出相，改變夾雜物形態(tài)和分布，從而提高熱加工塑性和常溫的韌性作用。該發(fā)明中加入微量的Mn，主要起到固溶強化作用，提高合金強度。

高性能低成本高速鋼改善效果

該合金的優(yōu)點在于：

（1）使用了高含量的資源豐富、廉價的Si，大幅度降低了2006年1月前已有通用高速鋼中的貴重元素含量，從而使鋼材成本顯著降低；

（2）使用了高含量的中國資源豐富的RE，從而明顯改善了冶金質(zhì)量；

（3）《高性能低成本高速鋼》的鋼各項性能不低于通用高速鋼，部分性能明顯高于通用高速鋼，尤其是在高轉(zhuǎn)速、大進刀量條件下使用時更顯其性能的優(yōu)勢。

2009年，《高性能低成本高速鋼》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優(yōu)秀獎。

1.《高性能低成本高速鋼》特征在于：該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于：所述高速鋼含量為0.95-1.05Wt％C，1.8-2.2Wt％Si，0.3-0.8Wt％RE，4.0-4.8Wt％Cr，1.8-2.5Wt％Mo，3.5-4.5Wt％W，1.2-1.5Wt％V，0.2-0.4Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。