一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法与流程

1.本发明属于单光子探测器测试技术领域，具体涉及一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法。


背景技术：

2.当前，单光子探测器的应用主要在量子保密通信、量子精密测量、微光探测等领域，其中又以在量子保密通信终端的使用最为典型。单光子探测器性能表征参数主要有暗计数、探测效率及线性、后脉冲概率等，以上参数对量子保密通信的成码率、传输距离、安全性都有直接影响。探测效率作为单光子探测器的核心参数，当前的测试方案是利用激光衰减生成的准单光子源激励单光子探测器，准单光子源强度是通过标准功率计对激光源输出强度和衰减器衰减倍数分别标定后间接计算得出，探测效率及线性的测量精度主要由标准功率计的测量准确度及线性决定，所以这是一种需要向更高一级标准进行溯源的测试方法。若需要在多个通信波长处进行测量，需要匹配多个光源及相应的标准功率计等仪器。此外，利用激光衰减法进行探测效率测量时，光子计数值中包含了后脉冲计数，若需要对探测效率进一步精确测量，需要利用时间相关单光子计数等技术将后脉冲计数单独测出。
3.随着量子信息技术的发展，单光子探测器的量产及广泛应用对单光子探测器高准确度、便携化及自动化测试的需求越来越明显，尤其核心参数探测效率的测量基于传统的激光衰减测量方案，量传过程中的逐级累积误差使得测量准确度无法进一步提高。
4.目前，单光子探测器探测效率的主流测试方案是将激光源衰减至单光子量级，通过线性响应优异的标准功率计标定光源输出功率和大动态范围的衰减倍数来间接计算得到出射光子数量，这种方案的优点是：不管光源、光衰减器还是光功率计均有较多成熟的产品可以拿来用，不同厂家的产品进行搭配后即可组建一套测试系统，但缺点也很明显：
①
测试系统是由不同的分立仪器组成，不易便携，需要针对各个仪器进行专门的开发设计，自动化测试很难实现；
②
通过对激光光源进行大动态范围衰减产生单光子源，激光光源强度、稳定度和滤光片通过标准功率计来测量，由于单光子水平的光功率极其微弱，需要对多个滤光片单独进行测量后再串联使用，较多的测量环节导致测量误差不断累积，所以测量精度很有限且很难进一步提高；
③
单光子探测器不同于传统的光电探测器，其工作物理过程复杂，各参数之间相互关联，如激光衰减法测出的探测效率中包含后脉冲概率，如要进行后脉冲概率的测试，还要使用符合测量仪器记录并分析被测单光子探测器的计数信号，所以一套完整的测试系统需要多台套不同类型的仪器组成。该方案总体上在使用便携性、自动化测试以及提高测试精度等方面已经不能满足日益增长的测试需求。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法，是基于关联光子源加符合测量仪器组成一套测试系统，不同于传统的测试思路，本发明是一种基准式测量方案，不需要溯源至更高一级的计量标准，具备量子信息技术中
天生带有高精度的鲜明特点。
6.具体测试原理是：非线性光学介质中的自发参量辐射过程会以一定的概率产生关联光子对，既一个高频光子湮灭的同时产生两个低频光子，利用关联光子对在时间、能量(频率)、动量以及偏振等方面的关联性，通过探测其中一个光子可以来预报另一个光子的存在。利用符合测量对两路单光子计数信号进行测量，得到的符合测量值为两路光子同时被探测到的计数信号，通过符合测量值、触发探测计数值和待测探测器探测光子的光路透过率即可得出待测单光子探测器的探测效率。
7.本发明的技术方案如下：一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置，包括关联光子源，触发信号单元，符合测量单元及相应的控制、测量与显示单元；测试时：关联光子源产生两路光子信号，窄带光信号的一路入射触发探测器，触发探测器为触发单光子探测器，宽带光信号的一路入射待测探测器，若触发探测器和待测探测器均工作于盖革模式，通过触发信号调节触发和待测探测器的探测时延实现光子的同步探测，触发探测器和待测探测器的输出计数信号接入符合测量单元，符合测量单元记录两路计数信号在不同时间差值处的符合计数值，得出符合主峰值，同时记录触发单光子探测器的输出计数值，利用符合计数主峰值除以触发单光子探测器的计数值和待测单光子探测器的通道透过率得出待测单光子探测器的探测效率。
8.上述中，所述关联光子源，用于产生用于激励待测探测器和触发探测器的关联光子对，包括：皮秒短脉冲光源、可调衰减器、周期极化波导、1550/1310波分复用、1550nm宽带滤波器、1310nm宽带滤波器、1
×
2光开关、1550nm波段可调谐窄带滤波器、1310nm波段可调谐窄带滤波器、以上各部分之间通过光纤连接。
9.上述中，所述皮秒短脉冲光源，用于泵浦光源入射周期极化波导产生宽带关联光子对，周期极化波导集成了温控单元，通过调整波导的工作温度，将关联光子的光谱在一定光谱范围内向短波或长波移动。
10.上述中，所述可调衰减器，用于调节入射光信号的光强。
11.上述中，所述周期极化波导，作为非线性介质用于产生通信波段关联光子对。
12.上述中，所述1550/1310波分复用，用于分离1550nm波段和1310nm波段关联光子，并对泵浦光源进行初步滤波。
13.上述中，所述1550nm宽带滤波器、1310nm宽带滤波器，用于实现对泵浦光源及非关联光子的进一步抑制。
14.上述中，所述1550nm波段可调谐窄带滤波器、1310nm波段可调谐窄带滤波器用于关联光子的窄带滤波，滤波中心波长和带宽可调；所述触发信号单元用于触发皮秒短脉冲光源、待测单光子探测器、触发单光子探测器，并调整三路触发信号之间的时延，使其同步工作；所述符合测量单元用于将两路单光子探测器的计数信号进行符合测量；所述控制、测量与显示单元用于测试装置的测试参数设置和测量结果的分析与显示。
15.本发明还提供一种通信波段单光子探测器探测效率测试方法，包括以下步骤：
16.步骤1：关联光子源产生两路通信波段光子信号，窄带光信号的一路入射触发探测器，触发探测器为触发单光子探测器，宽带光信号的一路入射待测单光子探测器；
17.步骤2：设置触发探测器和待测探测器均工作于盖革模式，通过触发信号调节触发和待测探测器的探测时延实现光子的同步探测，触发探测器和待测探测器的输出计数信号
接入符合测量单元；
18.步骤3：符合测量单元记录两路计数信号在不同时间差值处的符合计数值，得出符合主峰值，同时记录触发单光子探测器的输出计数值，利用符合计数主峰值除以触发单光子探测器的计数值和待测单光子探测器的通道透过率得出待测单光子探测器的探测效率。
19.上述方法中，所述步骤2中，所述通过触发信号实现光子的同步探测的具体步骤为：设置两探测器的工作门宽和探测效率或偏置电压，然后通过触发信号单元调整各路信号之间的延时，将关联光子源、待测探测器、触发探测器进行同步，使两探测器的计数值最大，两探测器的计数信号分别接入符合测量单元的开始和停止通道，通过分析两路计数信号的符合测量直方图，得出符合计数值m
c
，同时记录触发探测器计数值m
trigger
，则待测单光子探测器的探测效率η计算公式为公式(1)：
[0020][0021]
其中，τ为关联光子从波导中产生至接入待测单光子探测器的整体透过率。
[0022]
具体的，在不同波段进行探测效率测量时，对关联光子源的滤波通道进行切换，触发信号和符合测量单元不随测量波长改变而发生变化。当待测单光子探测器在1550nm波段进行探测效率测量时，切换关联光子源中1
×
2光开关
①
、1
×
2光开关
②
，使光信号通过1550nm波段宽带滤波器输出，并入射待测单光子探测器，同时切换1
×
2光开关
③
、1
×
2光开关
④
，使光信号通过1310nm波段可调谐窄带滤波器输出入射触发单光子探测器。因泵浦光源有一定的带宽，通常将1310nm波段可调谐窄带滤波器带宽设置为～1nm，1550nm波段宽带滤波器带宽设置在～10nm，约10:1的带宽比基本包含了与1310nm波段窄带滤波后光子关联的1550nm波段光子。同理，当待测单光子探测器在1310nm波段进行探测效率测量时，切换关联光子源中1
×
2光开关
①
、1
×
2光开关
②
，使光信号通过1550nm波段可调谐窄带滤波器输出，并入射触发单光子探测器，同时切换1
×
2光开关
③
、1
×
2光开关
④
，使光信号通过1310nm波段宽带滤波器输出入射待测单光子探测器，1310nm波段宽带滤波器带宽设置为～10nm，1550nm波段可调谐窄带滤波器带宽设置在～1nm。
[0023]
采用本发明的技术方案：1、本发明提出了一种基于关联光子源的单光子探测器探测效率测试方法，可同时在通信波段两个波长对单光子探测器的探测效率进行测量。基于本发明提出的测量方案对单光子探测器探测效率进行测量，测量准确度由装置本身参数决定，不同于现有的需要向外部更高一级测量标准进行溯源的激光衰减测试方案，且不需要进行后脉冲概率修正。2、本发明提出的测试装置可实现单光子探测器探测效率及线性的自动化测试，即插即用，高效便捷。3、关联光子源同时产生两个通信波段光子信号，通过切换宽带/窄带滤波可同时实现在两个波长处探测效率的测量。4、本发明相比现有的激光衰减测试方案对探测效率的测量具有更高的测试精度，探测效率的测量已对后脉冲概率进行了校正。
附图说明
[0024]
图1为本发明中通信波段单光子探测器探测效率测量示意图。
[0025]
图2为本发明中关联光子源组成示意图。
具体实施方式
[0026]
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0027]
本发明的一个实施例是，提出一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法，可同时在通信波段两个波长对单光子探测器的探测效率进行测量。基于本发明提出的测量方案对单光子探测器探测效率进行测量，测量准确度由装置本身参数决定，不同于现有的需要向外部更高一级测量标准进行溯源的测试方案。
[0028]
实施例一
[0029]
为了达到上述目的，如图1所示，图1中虚线代表光信号，实线代表电信号，本发明所采用的技术方案为：提供一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置，包括：关联光子源，触发信号单元，符合测量单元及相应的控制、测量与显示单元；测试时：关联光子源产生两路光子信号，窄带光信号的一路入射触发探测器，触发探测器为触发单光子探测器，宽带光信号的一路入射待测探测器，若触发探测器和待测探测器均工作于盖革模式，通过触发信号调节触发和待测探测器的探测时延实现光子的同步探测，触发探测器和待测探测器的输出计数信号接入符合测量单元，符合测量单元记录两路计数信号在不同时间差值处的符合计数值，得出符合主峰值，同时记录触发单光子探测器的输出计数值，利用符合计数主峰值除以触发单光子探测器的计数值和待测单光子探测器的通道透过率得出待测单光子探测器的探测效率。
[0030]
所述关联光子源，用于产生用于激励待测探测器和触发探测器的关联光子对，其组成如下图2所示，包括：皮秒短脉冲光源、可调衰减器、周期极化波导、1550/1310波分复用、1550nm宽带滤波器、1310nm宽带滤波器、1
×
2光开关、1550nm波段可调谐窄带滤波器、1310nm波段可调谐窄带滤波器、各部分之间通过光纤连接。
[0031]
所述皮秒短脉冲光源，用作泵浦光源入射周期极化波导产生宽带关联光子对，周期极化波导集成了温控单元，通过调整波导的工作温度，可将关联光子的光谱在一定光谱范围内向短波或长波移动。
[0032]
所述可调衰减器，用于调节入射光信号的光强。
[0033]
所述周期极化波导，作为非线性介质用于产生通信波段关联光子对。
[0034]
所述1550/1310波分复用，用于分离1550nm波段和1310nm波段关联光子，并对泵浦光源进行初步滤波。
[0035]
所述1550nm宽带滤波器、1310nm宽带滤波器，用于实现对泵浦光源及非关联光子的进一步抑制。
[0036]
所述1
×
2光开关，用于光路的切换。
[0037]
所述1550nm波段可调谐窄带滤波器、1310nm波段可调谐窄带滤波器用于关联光子的窄带滤波，滤波中心波长和带宽可调。
[0038]
所述触发信号单元用于触发皮秒短脉冲光源、待测单光子探测器、触发单光子探测器，并调整三路触发信号之间的时延，使其同步工作。
[0039]
所述符合测量单元用于将两路单光子探测器的计数信号进行符合测量。
[0040]
所述控制、测量与显示单元用于测试装置的测试参数设置和测量结果的分析与显示。
[0041]
实施例二
[0042]
在上述实施例的基础上，进一步，关联光子源产生两路光子信号，窄带光信号的一路入射触发探测器，触发探测器为触发单光子探测器，宽带光信号的一路入射待测探测器，若触发探测器和待测探测器均工作于盖革模式，通过触发信号调节触发和待测探测器的探测时延实现光子的同步探测，触发探测器和待测探测器的输出计数信号接入符合测量单元，符合测量单元记录两路计数信号在不同时间差值处的符合计数值，得出符合主峰值，同时记录触发单光子探测器的输出计数值，利用符合计数主峰值除以触发单光子探测器的计数值和待测单光子探测器的通道透过率得出待测单光子探测器的探测效率。
[0043]
上述中，所述通过触发信号实现光子的同步探测的具体步骤为：设置两探测器的工作门宽和探测效率(或偏置电压)，然后通过触发信号单元调整各路信号之间的延时，将关联光子源、待测探测器、触发探测器进行同步，使两探测器的计数值最大，两探测器的计数信号分别接入符合测量单元的开始和停止通道，通过分析两路计数信号的符合测量直方图，得出符合计数值m
c
，同时记录触发探测器计数值m
trigger
，则待测单光子探测器的探测效率η计算公式为公式(1)：
[0044][0045]
其中，τ为关联光子从波导中产生至接入待测单光子探测器的整体透过率。
[0046]
具体的，当待测单光子探测器在1550nm波段进行探测效率测量时，切换1
×
2光开关
①
、1
×
2光开关
②
，使光信号通过1550nm波段宽带滤波器输出，并入射待测单光子探测器，同时切换1
×
2光开关
③
、1
×
2光开关
④
，使光信号通过1310nm波段可调谐窄带滤波器输出入射触发单光子探测器。因泵浦光源有一定的带宽，通常将1310nm波段可调谐窄带滤波器带宽设置为～1nm，1550nm波段宽带滤波器带宽设置在～10nm，约10:1的带宽比基本包含了与1310nm波段窄带滤波后光子关联的1550nm波段光子。同理，当待测单光子探测器在1310nm波段进行探测效率测量时，切换1
×
2光开关
①
、1
×
2光开关
②
，使光信号通过1550nm波段可调谐窄带滤波器输出，并入射触发单光子探测器，同时切换1
×
2光开关
③
、1
×
2光开关
④
，使光信号通过1310nm波段宽带滤波器输出入射待测单光子探测器，1310nm波段宽带滤波器带宽设置为～10nm，1550nm波段可调谐窄带滤波器带宽设置在～1nm。
[0047]
采用本发明的技术方案：1、本发明提出了一种基于关联光子源的单光子探测器探测效率测试方法，可同时在通信波段两个波长对单光子探测器的探测效率进行测量。基于本发明提出的测量方案对单光子探测器探测效率进行测量，测量准确度由装置本身参数决定，不同于现有的需要向外部更高一级测量标准进行溯源的激光衰减测试方案，且不需要进行后脉冲概率修正。2、本发明提出的测试装置可实现单光子探测器探测效率及线性的自动化测试，即插即用，高效便捷。3、关联光子源同时产生两个通信波段光子信号，通过切换宽带/窄带滤波可同时实现在两个波长处探测效率的测量。4、本发明相比现有的激光衰减测试方案对探测效率的测量具有更高的测试精度，探测效率的测量已对后脉冲概率进行了校正。
[0048]
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。