一种基于光纤色散的单光子光谱仪的制作方法

本申请属于光谱测量领域，具体而言，涉及一种基于光纤色散的单光子光谱仪。

背景技术：

1、在量子信息和量子光学领域，量子态制备、调控等严格依赖于光子的光谱特性，如线性光学量子计算的基础-双光子干涉(也称hom干涉)就要求发生干涉的两个光子光谱严格一致。在量子光学实验中常用的量子光源，如自发参量下转换(spdc)和四波混频(fwm)过程产生的量子光源，其双光子光谱的互相关关系也是衡量光源特性的重要参数。

2、与经典光学不同，量子光学实验中所用的光源为单光子量级，普通的光电探测器无法探测，需要工作于盖革模式的雪崩光电二极管进行低噪声、高灵敏度的单光子探测。因此在光谱测量方面，量子光源的光谱测量也需要低噪声、低衰减、灵敏度至单光子量级的单光子光谱仪。

3、传统的基于棱镜、光栅等空间色散原理的光谱仪可以分为扫描型和光谱图像型。扫描型光谱仪具有运动部件，只需单点探测器，但这种扫描方式对于单光子光谱探测而言存在衰减大的缺点。光谱图像型光谱仪将所有色散光均收集探测，虽然避免了衰减大的缺点，但所需要的单光子ccd探测器成本高，且需要液氮冷却以降低噪声。

4、目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(tdc)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是当待测光源是连续光或者脉冲频率较高时，前后脉冲的光子经过色散后在时域上前后重叠，从而无法实现光谱的准确测量；第二个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，因此光谱仪的标定过程难度大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，实用性差。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请提供一种基于光纤色散的单光子光谱仪，通过设置斩波器截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散模块展宽，且斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，其具体方案如下：

2、本申请公开了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器；所述分频器分别与所述斩波器和所述时间数字转换器连接，用于接收待测光源的驱动脉冲电信号并对所述驱动脉冲电信号降频同时将降频后的驱动脉冲电信号同时传输给所述斩波器和所述时间数字转换器；所述斩波器用于在所述降频后的驱动脉冲电信号的作用下截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲；所述色散模块用于对所述斩波脉冲展宽使不同波长的光子在时域上分开并传输至所述单光子探测器，所述降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于所述斩波脉冲展宽后的时域宽度；所述单光子探测器用于将不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给所述时间数字转换器，所述时间数字转换器用于记录所述斩波器形成所述斩波脉冲的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。

3、进一步地，所述单光子光谱仪还包括电动可调光延时器，所述电动可调光延时器的输出端与所述斩波器连接，所述电动可调光延时器的一个输入端与所述单光子探测器连接，所述电动可调光延时器用于对待测光源输出的光脉冲延时扫描并基于所述单光子探测器反馈的光子计数获取对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。

4、优选地，所述单光子探测器为单光子雪崩二极管。

5、优选地，所述色散模块为光纤或光纤布拉格光栅。

6、优选地，所述斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。

7、优选地，所述单光子探测器工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。

8、进一步地，所述mzi型光开关由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，所述相位调制器设置于所述干涉上臂或所述干涉下臂上，所述相位调制器用于调节光脉冲的相位，所述干涉上臂的两端分别连接所述第一分束器的输出上端口和所述第二分束器的输入上端口，所述干涉下臂的两端分别连接所述第一分束器的输出下端口和所述第二分束器的输入下端口。

9、进一步地，所述铌酸锂强度调制器由输入直波导、3db分束器、传输上波导、传输下波导、3db合束器、输出直波导和调制电极组成，所述输入直波导与所述3db分束器的输入端连接，所述传输上波导的两端分别与所述3db分束器的输出上端口和所述3db合束器的输入上端口连接，所述传输下波导的两端分别与所述3db分束器的输出下端口和所述3db合束器的输入下端口连接，所述输出直波导与所述3db合束器的输出端连接，所述调制电极共4个，2个所述调制电极分别对称设置在所述传输上波导的两侧，另外2个所述调制电极分别对称设置在所述传输下波导的两侧。

10、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

11、本申请提供了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器，分频器接收待测光源的驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频同时传输给斩波器和时间数字转换器，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，因为待测光源的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，因此降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，通过调整分频器的降频倍数使降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，也即是斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，提高了光谱测量的准确性和稳定性。此外，时间数字转换器以斩波器形成斩波脉冲的时间作为探测的起始时间点，且降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，由于斩波器到单光子探测器和时间数字转换器的距离在出厂时已经固定，因此在对不同待测光源进行测量时不需要重新校准，提高了测量效率，实用性强。

技术特征：

1.一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器；所述分频器分别与所述斩波器和所述时间数字转换器连接，用于接收待测光源的驱动脉冲电信号并对所述驱动脉冲电信号降频同时将降频后的驱动脉冲电信号同时传输给所述斩波器和所述时间数字转换器；所述斩波器用于在所述降频后的驱动脉冲电信号的作用下截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲；所述色散模块用于对所述斩波脉冲展宽使不同波长的光子在时域上分开并传输至所述单光子探测器，所述降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于所述斩波脉冲展宽后的时域宽度；所述单光子探测器用于将不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给所述时间数字转换器，所述时间数字转换器用于记录所述斩波器形成所述斩波脉冲的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子光谱仪还包括电动可调光延时器，所述电动可调光延时器的输出端与所述斩波器连接，所述电动可调光延时器的一个输入端与所述单光子探测器连接，所述电动可调光延时器用于对待测光源输出的光脉冲延时扫描并基于所述单光子探测器反馈的光子计数获取对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子探测器为单光子雪崩二极管。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述色散模块为光纤或光纤布拉格光栅。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。

6.根据权利要求3所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子探测器工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。

7.根据权利要求5所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述mzi型光开关由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，所述相位调制器设置于所述干涉上臂或所述干涉下臂上，所述相位调制器用于调节光脉冲的相位，所述干涉上臂的两端分别连接所述第一分束器的输出上端口和所述第二分束器的输入上端口，所述干涉下臂的两端分别连接所述第一分束器的输出下端口和所述第二分束器的输入下端口。

8.根据权利要求5所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述铌酸锂强度调制器由输入直波导、3db分束器、传输上波导、传输下波导、3db合束器、输出直波导和调制电极组成，所述输入直波导与所述3db分束器的输入端连接，所述传输上波导的两端分别与所述3db分束器的输出上端口和所述3db合束器的输入上端口连接，所述传输下波导的两端分别与所述3db分束器的输出下端口和所述3db合束器的输入下端口连接，所述输出直波导与所述3db合束器的输出端连接，所述调制电极共4个，2个所述调制电极分别对称设置在所述传输上波导的两侧，另外2个所述调制电极分别对称设置在所述传输下波导的两侧。

技术总结
本申请公开了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器，分频器接收待测光源的驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频同时传输给斩波器和时间数字转换器，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，因为待测光源的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，因此降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，通过调整分频器的降频倍数使降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，也即是斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，提高了光谱测量的准确性和稳定性。

技术研发人员：安雪碧
受保护的技术使用者：合肥硅臻芯片技术有限公司
技术研发日：20230511
技术公布日：2024/1/15