光电量子通信 2018.docx

一. 方解石渥拉斯顿棱镜的顶角a=150时，两出射光的夹角为多少?并作图说 明。（15分）二. 设计一套光学系统来实现激光位相调制光谱特性检测。（20分）三. 简述光电倍增管的工作原理。（15分）四. 量子通信的工作原理是什么，它有哪些优缺点？（25分）五. 讨论显示技术的发展方向。（25分）一、左边方解石晶体中的o光（折射率n，= n = 1.6584 ）进入到右边方解石晶体中变 成了 e光（该e光的偏振方向与光轴平行，折射率n"= n = 1.4864 ）；左边方解 石晶体中的e光（该e光的偏振方向与光轴平行，折射率n"= n= 1.4864 ）进入 到右边方解石晶体中变成了 o光（折射率n = n = 1.6584 ）。在两块方解石晶体的分界面上，应用折射定律有'n sin a = n sin 0v oe2 S vn sin a = n sin 0' eo10201=arcsin(=arcsin(n、ne )nna)V no )=18.7842o=13.4134在右边方解石晶体与空气的界面上，应用折射定律有n sin(0 -a)= n sin 0sin (a-0 ) = n sin 00 3 = arcsin-七血(0 a)-n-气钮(af)-n=2.9598o=2.3587o所以出射光的夹角y =0 +0 = 5.3185料519' 34。未调制激光场E(f) Eg * e调制后激光场频域分布1 .激光位相调制E(t) =expia)t(Af)expz(6? +）的载波和频率分别为（D+a>m和包括一个频率为O且幅度相等、位相相反的正、负一级边带问题的提出：如何进行实验观测?（光学频率1O14HZ）2 .光学谐振腔基于多光束干涉相干迭加原理透射光复振幅:透射光强:I =AA*-l光相干迭加位相差丫两足；kji, k=(),±L +2.= 7 3 .用F.P腔观测激光位相调制光谱特性的原理1甬fWj JR 12SJ激光位相调制波驱动压电陶瓷光场的载波及边(PZT)扫描F -P腔长，使 带(不同频率的F-P腔内共振增强,间轴上表示。解决了观测使频光)依次在率分布特性以强度形式在扫描时:光学频谱分布的难题锯齿波扫描三、1.光电倍增管的工作原理及结构1.1光电倍增管的基本工作原理光电倍增管（英文简写PMT）由光电阴极K ,电子光学输入系统，二次发射倍 增系统和阳极a四部分组成。光阴极由吸收系数大，逸出功低，量子效率高， 暗电流小的材料制成（图1-1）。光照射阴极产生光电效应而发射光电子（称为一次 电子）。倍增极被一个能量较高的快速电子轰击会发射出许多个电子称二次电 子）。从光阴极K到各个倍增极d 1、d2、d3 ，再到阳极a加上依次递增的 电压.即d1的电位比K 高，d2的电位比d1高等。阴极K发射的光电子经 电子光学系统的加速和聚焦被收集到第一倍增极d上，倍增极将发射更多的二 2次电子，这些二次电子又被电场加速和聚焦打到第二倍增极d上得到倍增，2如此倍增下去，在阳极回路中形成阳极电流Ia。为了描述不同物体发射二次电 子的能力，引入二次倍增系数5，8定义为从物体发射出来的二次电子数与同一 时间内轰击该物体的一次电子数的比。也即二次发射电流和一次发射电流之比。 设光阴极发射的光电流为匕，二次倍增系数为5 （一般为3 - 6倍），光电 倍增极的级数为n （通8-13个倍增级）。假定各倍增极有相同的5，且电极之 间聚焦与收集都很理想.故阳极电流Ia = ik5 n。光电倍增管的电流放大系数， 它与倍增级数n和倍增极材料的二次倍增系数5有密切关系。四、因为量子信息是经典信息在功能和性能上的扩展，量子通信系统具有经典通 信系统所有的功能以及经典通信系统所不具有的新功能。通常所说的量子通信基 本上是指基于量子测不准原理的量子保密通信。由于非正交态测不准，任何针对 这些非正交态的窃听行为都将不可避免地干扰和破坏这些量子态，从而影响合法 接收者对这些非正交态测量的期望结果。通信双方通过随机公开一些比特的基信 息和测量结果，如果在他们选择相同基的情况下，得到的结果不一致，他们就可 以确定这个比特被窃听或受到干扰，并根据安全性判决条件决定是否放弃这一次 已经传输的量子数据。因此，可以对量子传输过程进行有效监控，进而提高通信 的安全性，这是量子传输的一个显著特点。光纤量子通信及其局限性：目前，标准单模光纤的损耗约为0.25 dB/km，这样 的损耗并不影响传统光通信的广泛应用，但是对于光纤量子通信来说，这个损耗 是一个很难逾越的障碍。比如40 km的点到点量子通信，光纤损耗约10 dB， 由于单光子信号不能放大，造成的损失无法补偿，这相当于单光子信号损失约 90%，最终导致编码在单光子信号中的数据丢失近90%，其余剩下的约10%的 数据将很难完成目标数据的恢复和提取，也很难完成通信的功能。假定使用重复 频率10 GHz的理想单光子信号源和探测效率100%的单光子探测器，采用标 准的BB84协议，那么QKD系统的密钥分发速率也将低于100 Mb/s。因此， 一方面，光纤量子通信系统不可能进行有效的“量子通信”；另一方面，基于光纤 通信网络进行QKD是一个比较理想的选择，但是很难实现远距离、超高速率 的QKD，除非采用无损光纤（比如传输损耗小于0.025 dB/km）或其他无损耗 传输途径。对潜和深空量子通信及其局限性：由于纠缠粒子之间存在不受空间限制的关联 性，并且可以实现隐形传态，利用这种现象似乎可以用于对潜和深空通信，并突 破经典通信的距离和速率极限，但是这可能只是一个美好的“梦想”，没有其他额 外信息的辅助，这些奇妙理论上的瞬间关联性毫无用处。依赖辅助信息就意味着 不可能超越经典极限。五、TFT-LCD技术TFT-LCD即是指薄膜场效应晶体管液晶显示器，其性能全 面超过了传统的显示器，逐渐成为市场上的主流产品。近些年来，TFT-LCD技 术一直保持着较快的发展速度，技术也趋于完善。目前，全球TFT-LCD的发展 已经接近成熟，各国正在不断寻求技术创新，目的是为了降低LCD面板的生产 成本，主要研发领域为新型液晶材料。可以预见到，未来TFT-LCD技术的发展 趋势主要包括以下几个方面：其一，显示器性能参数不断提升，主要表现在色域、 亮度、对比度等参数。其二，显示器功能更强，例如宽视角、响应速度更快等。 此外，在成本节省以及能源节省方面也将实现一定的进步。总体而言，TFT-LCD 技术人就存在一定创新提升空间。1.2 PDP技术PDP技术当前阶段主要集中在 日韩以及中国大陆。该技术始于美国，由日本实现产业化，在PDP面板结构、 驱动技术等多个领域实现了垄断，很多技术都处于世界领先地位。同时，日本的 PDP产业早已完成了产业整合，产业规模较大，竞争能力较强。随着PDP技术 的不断发展，显示面板的市场需求量持续增长，但是价格却出现了一定程度的降 低。目前，应用PDP技术的电视机占据了全球电视机市场的十分之一，中国PDP 电视机市场近些年来一直保持着稳步曾增长的趋势。从技术发展的角度来看，经 过几十年的发展，PDP技术虽然已经接近完善，但是在一些方面依据存在提升 的空间。首先，在能耗方面，日本的松下公司通过新型材质的应用大幅度的降低 了产品的功耗。其次，在发光效率方面，根据最新的研究，可以通过技术提升PDP 显示器的发光效率，从而达到降低模组成本和能耗的效果。其三，一体化设计制 造方面，通过显示器件和结构件的一体化设计可以有效的降低生产成本。目前， 这部分核心技术仍旧掌握在日本以及韩国的企业手中。可以预见到，未来PDP 技术将朝着低功耗、低成本、高分辨率以及绿色环保的方面发展。1.3OLED技 术OLED技术常用于笔记本电脑以及智能手机等屏幕尺寸较小的电子产品上， 具有高亮度、高对比度以及低功耗的优点。但是该技术存在一定的缺陷，产品寿 命普遍情况下低于两万小时，因此成本要超过TFT-LCD技术，在大尺寸电视领 域的应用仍旧无法和TFT-LCD和PDP技术进行竞争。受到上述因素的影响， 该产业仍旧处于发展阶段，产业规模相对较小。通过对市场现状的分析可知，在 未来的一段时期内，OLED的应用仍旧以小尺寸的手机和便携式数码产品为主。 随着技术的不断成熟和完善，其在大屏幕领域的应用将会逐渐增多。目前，全球 很多厂商对OLED显示器的研发都给予了充分的重视，在OLED技术发展过 程中，急需解决的问题主要包括器件使用寿命较短、制作过程中基板容易变形等 问题。综合来讲，OLED技术在材料、尺寸以及照明等方面具有较大的提高空 间，未来，OLED的应用范围将会逐渐扩大。2显示技术的发展趋势2.1 FED技 术场发射显示器（FED）涉及到了平板显示技术和真空微电子技术的综合应用， 具有较为广阔的发展前景。FED的工作原理是在强电场的作用下，通过隧道效 应逸出发射尖端和真空间势垒的特点，以获得冷阴极电子源。随着该技术不断完 善，将会对而液晶显示器以及等离子显示器的地位造成冲击。由于FED技术和 阴极射线管制造技术存在一定的相似之处，这就使得很多CRT生产设备和技术 可以直接应用于FED的制造，从而有效的减少在生产线建设中投入的成本，这 对FED技术的推广是十分有利的。同时，FED能够适应很多恶劣的环境了， 例如高温、低温，且抗震和抗打击能力较强，具备较强的竞争优势。2.2 E-paper 技术电子纸（E-paper）是在纸的概念上发展出来一种新型的显示器件，非常适 合阅读，且不会对肉眼造成较大的负担，同时还具备易携带和低功耗的特点。这 种技术的出现对传统的纸质印刷品造成了巨大的冲击。目前，很多国际知名企业 已经开始这一领域的研发