CN108254087A - 一种单光子探测器系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单光子探测器系统及控制方法，其包括依次连接的1×N光开关、单光子探测器组、信号汇聚单元，以及与其连接的控制器；通过1×N光开关，将输入端高码速率的串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，由N个相同性能的单光子探测器单元并行工作分别将N路并行的光信号转换为N个并行的电信号，再经过信号汇聚单元，实现电信号的并串变换，恢复输出单光子探测结果，来解决单光子探测器死时间的限制问题，进而提高单光子探测器系统的最大计数率，克服了高速单光子探测器的技术与经济性的限制问题。
Description
技术领域
本发明涉及量子物理工程应用领域，具体涉及一种单光子探测器系统及控制方法。
背景技术
单光子探测技术((single photon detector/detection，SPD)作为极限灵敏度的光信号测量技术，在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用，成为了量子信息领域不可或缺的核心关键技术；单光子探测器件用于基于单个光子探测将光信号转换成电信号，由于量子信息技术利用单个基本粒子对信息进行编码和操控，因此对单光子探测器有极其苛刻的性能要求，如探测效率、计数率、死时间等，远超出现有器件所能实现的性能指标。单光子探测器从接收光子到产生电响应输出需要一定的时间，在该时间段内无法进行光子探测。两次正常探测与处理光子脉冲事件的最小间隔时间称为死时间。死时间是制约单光子探测器件输出码速率的核心指标之一。最大计数率是单光子探测器件能响应的光子脉冲最高重复频率。计数率和死时间通常成反比，最大计数率决定输出码速率。为了满足日益增长的需求，本领域研究人员不断地探索新的单光子探测技术的同时，也在努力改进传统的单光子探测器。
现有技术中通过优化单光子探测器的直流偏置电压、工作温度、门脉冲的幅度和宽度等参数，通过降低探测器后脉冲概率降低死时间；其中优化参数采用初始化设定各个参数的初始值，固定其余参数，递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，以中间值为参数进行探测，根据测量结果数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。这种技术方案虽然能达到缩短探测死时间的效果，但通过优化各参数降低死时间，操作复杂，易产生误差，且成本较高，不适合应用化发展。因此亟需提供一种科学、简便、适合应用化发展的单光子探测器系统及控制方法以缩短探测死时间。
因此，如何缩短死时间，是提高单光子探测器件性能是亟需解决的问题，需要提供一种新型实用化的单光子探测器系统及控制方法。
发明内容
本发明提供一种单光子探测器系统及控制方法，其目的是通过包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)的系统控制N个性能相同的单光子探测器件并行工作，在保证不降低每个单光子探测器件探测效率的前提下，缩短整个系统的探测死时间。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种单光子探测器系统，其特征在于，所述系统包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)；
所述1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)依次连接；
所述控制器(4)分别与1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)连接；
所述1×N光开关(1)，用于完成光信号的串/并转换；
所述单光子探测器组(2)，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元(3)，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器(4)，用于控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)功能的执行。
优选地，所述1×N光开关(1)与所述单光子探测器组(2)通过N根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组(2)与所述信号汇聚单元(3)通过N根相同类型相同长度的电缆连接，N取正整数。
进一步地，所述1×N光开关(1)为机械式光开关、波导光开关或微机电系统光开关。
优选地，所述单光子探测器组(2)由N个相同的单光子探测器单元并行排列组成，N取正整数；
所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；
所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成；
所述单光子探测器为光电倍增管、雪崩光电二极管、增强型光电极管、微通道板、微球板、真空光电二极管、频率上转换单光子探测器、量子点单光子探测器或超导单光子探测器。
优选地，所述信号汇聚单元(3)由N×1电开关或者并/串转换单元组成；
所述N×1电开关是旋转式的微机电系统N×1电开关；
所述并/串转换单元包括依次连接的缓存和并/串转换器，所述缓存接收单光子探测器组(2)的N路并行电信号，所述并/串转换器，用于将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×N×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间。
优选地，所述控制器(4)包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、原子钟；
所述外部接口包括IRIG-B码时钟信号输入接口、RS232管理接口。
优选地，其特征在于，所述方法包括：
将1路高速串行光脉冲信号输入至1×N光开关(1)，利用1×N光开关(1)将1路高速串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，并通过所述光纤发送给单光子探测器组(2)，其中，N取正整数；
利用单光子探测器组(2)将N路并行的光信号转换为N路并行的电信号，并通过所述电缆发送给信号汇聚单元(3)；
信号汇聚单元(3)完成输入电信号的并/串转换，将N路并行的电信号转换为1路串行的电信号，其中，N取正整数。
优选地，所述1×N光开关(1)将1路串行的光信号中每N个串行光脉冲转换为N路并行的光信号，其中，N路并行的光信号中每路对应1个光脉冲。
优选地，所述信号汇聚单元(3)通过并/串转换器将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的N路并行的电信号中每路对应1个电信号。
优选地，所述控制器(4)为1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)提供时钟信号和控制信号；
控制器(4)通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；
控制器(4)通过控制信号控制1×N光开关(1)输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组(2)作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组(2)后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元(3)作为信号汇聚单元(3)输入端的第x路电信号，其中1≤x≤N。
与现有技术相比，本发明具有如下8项有益效果：
其一，本发明采用的技术方案，通过性能相同的N个单光子探测器件并行工作，不降低每个单光子探测器件探测效率，来缩短整个系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的N分之一。
其二，本发明采用的技术方案，提高了单光子探测器系统的最大计数频率，单光子探测器系统的最大计数频率是单个单光子探测器件的N倍，同时保证不降低探测效率；集成创新，优化了系统性能指标。
其三，本发明采用的技术方案，采用1×N光开关，输入端将高码速率串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，由N个相同性能的单光子探测器单元分别转换为N个并行的电信号，再经过N路信号汇聚合一单元，实现电信号的并/串变换，恢复输出单光子探测结果；在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测N倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，达到了提高单光子探测器系统的输出码速率的效果。
其四，本发明采用的技术方案，通过N个低速的廉价的单光子探测器代替1个高速的昂贵单光子探测器，解决了高计数率的单光子探测器件不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制问题，具有经济性和实用性。
其五，本发明采用的技术方案，通过N个相同性能的单光子探测器件并行工作，改善了单光子检测技术指标，为多通道单光子探测器以及单光子探测器阵列提供了一种应用场景，进而从应用的角度，推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(PhotonicIntegrated Circuit，PIC)的工程应用。
其六，本发明采用的技术方案，通过N个相同性能的单光子探测器件并行工作，来缩短整个系统的探测死时间，改善了单光子检测技术指标，提升量子通信技术水平，进而满足量子通信日益增长的需求。因为，量子通信中的三项核心技术分别是单光子源技术、量子编码和传输技术和单光子检测技术。
其七，本发明采用的技术方案，缩短了探测死时间，改善了单光子检测技术指标，能推进提升量子逻辑门的速度和精度，在量子计算(quantum computation)以及量子计算机(quantum computer)领域，具有积极的促进作用。
其八，本发明采用的技术方案，提升了光信号测量技术水平，实现了对极微弱目标信号的有效探测，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射性探测、高能物理、天文测光、激光测距、激光雷达等领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种单光子探测器系统的结构示意图；
图2是本发明一种单光子探测器系统的1×N光开关信号时序关系图；
图3是本发明一种单光子探测器系统的1×N光开关工作方式示意图；
图4是本发明一种单光子探测器系统的1×N光开关控制逻辑示意图；
图5是本发明一种单光子探测器系统的信号汇聚单元信号时序关系图；
图6是本发明实施例1中探测死时间缩短为四分之一的单光子探测器系统结构示意图；
图7是本发明实施例1中4×1电开关工作方式示意图；
图8是本发明实施例2中探测死时间缩短为十六分之一的单光子探测器系统结构示意图；
图9是本发明实施例3中探测死时间缩短为六十四分之一的单光子探测器系统结构示意图；
图中，(1)为1×N光开关、(2)为单光子探测器组、(3)为信号汇聚单元、(4)为控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
根据量子力学理论，单个光子是光的不可再分的量子极限，光能量的最小单位是一个光子，因此，光探测能力的极限是实现单个光子探测；对单光子探测器件而言，其功能是完成光信号到电信号的转换，由接收光子到产生电响应输出需要一定的时间，在此段时间内无法再进行光子探测。能够正常探测处理两次光子脉冲事件的最小间隔时间称为死时间(Dead Time)。最大计数率(Maximum Count Rate)是指单光子探测器件所能响应的光子脉冲最高重复频率。计数率和死时间通常成反比，最大计数率决定输出码速率。死时间是制约单光子探测器件提高输出码速率的核心技术指标之一。
因此，如何缩短死时间，是提高单光子探测器件性能亟需解决的问题，亟需提供新颖实用的单光子探测器系统及控制方法。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
图1示出了本发明提供的一种单光子探测器系统的结构示意图，如图1所示，所述系统可以包括：1×N光开关1、单光子探测器组2、信号汇聚单元3和控制器4；
所述1×N光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3依次连接；
所述控制器4分别与1×N光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3连接；
图2示出了本发明1×N光开关信号时序关系示意图，如图2所示：所述1×N光开关1，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组2，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元3，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器4，用于控制1×N光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3功能的执行。
具体地，所述1×N光开关1与所述单光子探测器组2通过N根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组2与所述信号汇聚单元3通过N根相同类型相同长度的电缆连接，N取正整数。
图3示出了本发明的1×N光开关工作方式示意图，如图3所示：所述的1×N光开关1由控制器4控制，以1到N等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；其中所述1×N光开关1为机械式光开关、波导光开关或微机电系统MEMS,Micro-Electro-Mechanical System光开关。
具体地，所述单光子探测器组2由N个相同的单光子探测器单元并行排列组成，N取正整数；其中，相同性能相同长度的N根同类型光纤连接1×N光开关1与单光子探测器组2，相同性能相同长度的N根同类型电缆连接单光子探测器组2与信号汇聚单元3；
所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；
所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成，封装在一起；
所述单光子探测器为光电倍增管PMT、雪崩光电二极管APD、增强型光电极管IPD、微通道板MCP、微球板MSP、真空光电二极管VAPD、频率上转换单光子探测器、量子点单光子探测器或超导单光子探测器SSPD。
其中，所述信号汇聚单元3由N×1电开关或者并/串转换单元组成；
所述N×1电开关是旋转式的微机电系统MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem，N×1电开关；
所述并/串转换单元可以包括依次连接的先进先出的缓存和并/串转换器，所述先进先出的缓存接收单光子探测器组2的N路并行电信号，所述并/串转换器，用于将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×N×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间。
具体地，所述控制器4可以包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源可以包括恒温晶振、原子钟；
所述外部接口可以包括IRIG-B DC码时钟信号输入接口、RS232管理接口。
一种如上述任一项所述的单光子探测器系统的控制方法，所述方法可以包括：
将1路高速串行光脉冲信号输入至1×N光开关1，利用1×N光开关1将1路高码速率串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，并通过所述N根相同类型相同长度的光纤发送给单光子探测器组2，其中，N取正整数；
利用单光子探测器组2将N路并行的光信号转换为N路并行的电信号，并通过所述N根相同类型相同长度的电缆发送给信号汇聚单元3；
信号汇聚单元3完成输入电信号的并/串转换，将N路并行的电信号转换为1路高码速率串行的电信号，其中，N取正整数。
图4示出了本发明技术方案的1×N光开关控制逻辑示意图，如图4所示，所述的1×N光开关1由控制器4控制，以1到N等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；
所述1×N光开关1将1路串行的光信号中每N个串行光脉冲转换为N路并行的光信号，其中，N路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，单光子探测器单元x的输入端经过光纤连接1×N光开关1输出端的第x路光信号，单光子探测器单元x的输出端经过电缆连接信号汇聚单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤N。
图5示出了本发明技术方案的信号汇聚单元信号时序关系图，如图5所示，所述信号汇聚单元3将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的N路并行的电信号中每路对应1个电信号。
具体地，所述控制器4为1×N光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3提供时钟信号和控制信号；
控制器4通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×N光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；控制器4通过控制信号控制1×N光开关1输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组2作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组2后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元3作为信号汇聚单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤N。
实施例1
图6示出了本发明实施例1探测死时间缩短为四分之一的单光子探测器系统结构图，如图6所示：所述系统可以包括：1×4光开关1、单光子探测器组2、信号汇聚单元3和控制器4；
所述1×4光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3依次连接；
所述控制器4分别与1×4光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3连接；
所述1×4光开关1，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组2，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元3，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器4，用于控制1×4光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3功能的执行。
具体地，所述1×4光开关1与所述单光子探测器组2通过4根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组2与所述信号汇聚单元3通过4根相同类型相同长度的电缆连接。
所述的1×4光开关1由控制器4控制，以1到4等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；其中所述1×4光开关1为机械式光开关、波导光开关或微机电系统MEMS,Micro-Electro-Mechanical System光开关。
具体地，所述单光子探测器组2由4个相同的单光子探测器单元并行排列组成；其中，相同性能相同长度的4根同类型光纤连接1×4光开关1与单光子探测器组2，相同性能相同长度的4根同类型电缆连接单光子探测器组2与4路信号汇聚合一单元3；
所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；
所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成并封装在一起；
其中，所述信号汇聚单元3由4×1电开关或者并/串转换单元组成；
所述4×1电开关是旋转式的微机电系统MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem，4×1电开关；所述并/串转换单元可以包括依次连接的先进先出的缓存和并/串转换器，所述先进先出的缓存接收单光子探测器组2的4路并行电信号，所述并/串转换器，用于将4路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×4×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间，所述并/串转换器完成4路并行到1路串行的电信号的转换。
具体地，所述控制器4可以包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源可以包括恒温晶振、原子钟；
所述外部接口可以包括IRIG-B DC码时钟信号输入接口、RS232管理接口。
一种如上述任一项所述的单光子探测器系统的控制方法，所述方法可以包括：
将1路高速串行光脉冲信号输入至1×4光开关1，利用1×4光开关1将1路高码速率的串行光脉冲信号转换为低码速率的4路并行的光脉冲信号，并通过所述光纤发送给单光子探测器组2；
利用单光子探测器组2将4路并行的光信号转换为4路并行的电信号，并通过所述电缆发送给信号汇聚单元3；信号汇聚单元3完成输入电信号的并/串转换，将4路并行的电信号转换为1路串行的电信号。
所述的1×4光开关1由控制器4控制，以1到4等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；
所述1×4光开关1将1路串行的光信号中每4个串行光脉冲转换为4路并行的光信号，其中，4路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，单光子探测器单元x的输入端经过光纤连接1×4光开关1输出端的第x路光信号，单光子探测器单元x的输出端经过电缆连接4路信号汇聚合一单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤4。
图7示出了本发明实施例1的4×1电开关工作方式图，如图7所示，所述信号汇聚单元3将4路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的4路并行的电信号中每路对应1个电信号。
具体地，所述控制器4为1×4光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3提供时钟信号和控制信号；
控制器4通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×4光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；控制器4通过控制信号控制1×4光开关1输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组2作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组2后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元3作为信号汇聚单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤4。
本实施例，能够用于提升量子逻辑门的速度和精度，在量子计算(quantumcomputation)以及量子计算机(quantum computer)领域，具有广泛的应用前景。同时，在单光子探测雪崩光电二极管(APD)器件方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的工程应用。
某工程中，为了解决缩短探测死时间为四分之一的问题，取N＝4，缩短为四分之一的探测死时间的单光子探测器系统，应用本发明的具体解决方案如图6所示，4×1电开关工作方式如图7所示。1×4光开关为移动反射镜机械式光开关。单光子探测器组为相同型号的4个相同性能的单光子探测雪崩光电二极管(APD)，每个APD的死时间Δτ为100μs，计数率为10KHz。4路信号汇聚合一单元为4×1电开关是旋转式的微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)4×1电开关。控制器内置时钟为恒温晶振， 实际恒温晶振精度选取±50ppb。控制器外部接口包括：IRIG-B DC码时钟信号输入接口、1路1PPS同步输入接口、RS232管理接口、USB接口(不低于USB 2.0，用于系统调试、数据存储及打印)。本发明所述方法能缩短单光子探测器系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的四分之一，最大计数频率是单个单光子探测器件的4倍，同时保证不降低探测效率。每个单光子探测雪崩光电二极管(APD)的死时间Δτ为100μs，计数率为10KHz；则保证不降低探测效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子探测器系统的死时间为最大计数率为4×10＝40KHz。而且，在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测4倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，起到了提高单光子探测器系统的输出码速率的优化效果。集成创新，对单光子探测器的系统性能指标产生了优化成效。
实施例2
图8示出了本发明实施例1探测死时间缩短为十六分之一的单光子探测器系统结构图，如图8所示：所述系统可以包括：1×16光开关1、单光子探测器组2、信号汇聚单元3和控制器4；
所述1×16光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3依次连接；
所述控制器4分别与1×16光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3连接；
所述1×16光开关1，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组2，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元3，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器4，用于控制1×16光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3功能的执行。
具体地，所述1×16光开关1与所述单光子探测器组2通过16根相同类型的光纤连接，所述单光子探测器组2与所述信号汇聚单元3通过16根相同类型的电缆连接。
所述的1×16光开关1由控制器4控制，以1到16等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；其中所述1×16光开关1为机械式光开关、波导光开关或微机电系统MEMS,Micro-Electro-Mechanical System光开关。
具体地，所述单光子探测器组2由16个相同的单光子探测器单元并行排列组成；其中，相同性能相同长度的16根同类型光纤连接1×16光开关1与单光子探测器组2，相同性能相同长度的16根同类型电缆连接单光子探测器组2与16路信号汇聚合一单元3；
所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；
所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成；
其中，所述信号汇聚单元3由16×1电开关或者并/串转换单元组成；
所述16×1电开关是旋转式的微机电系统MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem，16×1电开关；所述并/串转换单元可以包括依次连接的先进先出的缓存和并/串转换器，所述先进先出的缓存接收单光子探测器组2的16路并行电信号，所述并/串转换器，用于将16路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×16×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间，所述并/串转换器完成16路并行到1路串行的电信号的转换。
具体地，所述控制器16可以包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源可以包括恒温晶振、原子钟；
所述外部接口可以包括IRIG-B DC码时钟信号输入接口、RS232管理接口。
一种如上述任一项所述的单光子探测器系统的控制方法，所述方法可以包括：
将1路高速串行光脉冲信号输入至1×16光开关1，利用1×16光开关1将1路高速串行光脉冲信号转换为低码速率的16路并行的光脉冲信号，并通过所述光纤发送给单光子探测器组2；
利用单光子探测器组2将16路并行的光信号转换为16路并行的电信号，并通过所述电缆发送给信号汇聚单元3；信号汇聚单元3完成输入电信号的并/串转换，将16路并行的电信号转换为1路串行的电信号。
所述的1×16光开关1由控制器4控制，以1到16等间隔轮询方式工作，保证其导通时间为只通过1个光脉冲的时间间隔，保证每个光脉冲在其导通时间间隔的中点左右通过光开关；
所述1×16光开关1将1路串行的光信号中每16个串行光脉冲转换为16路并行的光信号，其中，16路并行的光信号中每路对应1个光脉冲，单光子探测器单元x的输入端经过光纤连接1×16光开关1输出端的第x路光信号，单光子探测器单元x的输出端经过电缆连接16路信号汇聚合一单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤16。
所述信号汇聚单元3将16路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的16路并行的电信号中每路对应1个电信号。
具体地，所述控制器4为1×16光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3提供时钟信号和控制信号；
控制器4通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×16光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；控制器4通过控制信号控制1×16光开关1输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组2作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组2后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元3作为信号汇聚单元3输入端的第x路电信号，其中1≤x≤16。
本实施例，能够用于对极微弱目标信号的有效探测，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射性探测、高能物理、天文测光、激光测距、激光雷达等领域，具有广泛的应用前景。同时，在量子点单光子探测器件方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的工程应用。
某工程中，为了解决缩短探测死时间为十六分之一的问题，取N＝16，缩短为十六分之一的探测死时间的单光子探测器系统，应用本发明的具体解决方案如图8所示。1×16光开关为波导型电光效应光开关。单光子探测器组为相同型号的16个相同性能的自组织量子点单光子探测器，每个自组织量子点单光子探测器的死时间Δτ为100ns，计数率为10MHz。16路信号汇聚合一单元为并/串转换单元，并/串转换单元内包括先进先出的缓存，其N＝16路并行电信号每路的缓存深度为2×N×Δτ＝3.2μs。例如，若每个单光子探测器单元输出码速率为10Mbit/s，则每路的缓存深度为10Mbit/s×3.2μs＝32bits。控制器内置时钟为恒温晶振，实际恒温晶振精度选取±5ppb。控制器外部接口包括：IRIG-B DC码时钟信号输入接口、1路1PPS同步输入接口、RS232管理接口、USB接口(不低于USB 3.0，用于系统调试、数据存储及打印)。本发明所述方法能缩短单光子探测器系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的十六分之一，最大计数频率是单个单光子探测器件的16倍，同时保证不降低探测效率。每个自组织量子点单光子探测器的死时间Δτ为100ns，计数率为10MHz；则保证不降低探测效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子探测器系统的死时间为最大计数率为16×10＝160MHz。而且，在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测16倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，起到了提高单光子探测器系统的输出码速率的优化效果。集成创新，对单光子探测器的系统性能指标产生了优化成效。
实施例3
图9示出了本发明实施例1的探测死时间缩短为六十四分之一的单光子探测器系统图，如图9所示，所述系统可以包括：1×64光开关1、单光子探测器组2、信号汇聚单元3和控制器4；
所述1×64光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3依次连接；
所述控制器4分别与1×64光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3连接；
所述1×64光开关1，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组2，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元3，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器4，用于控制1×64光开关1、单光子探测器组2和信号汇聚单元3功能的执行。
本实施例，能够用于构建高速、长距离的量子通信接收系统，尤其是构建高速、长距离的量子密钥分发(QKD)系统。同时，在超导单光子探测器件(SSPD)方面，能够推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的工程应用。
某工程中，为了解决缩短探测死时间为六十四分之一的问题，取N＝64，缩短为六十四分之一的探测死时间的单光子探测器系统，应用本发明的具体解决方案如图9所示。1×64光开关为静电驱动微反射镜转动的微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)光开关。单光子探测器组为相同型号的4组相同性能的16通道的超导单光子探测器(SSPD)，每个单个通道的超导单光子探测器的死时间Δτ为14.3ns，计数率为70MHz。64路信号汇聚合一单元为并/串转换单元，并/串转换单元内包括先进先出的缓存，其N＝64路并行电信号每路的缓存深度为2×N×Δτ＝1.829μs。例如，若每个单光子探测器单元输出码速率为70Mbit/s，则每路的缓存深度为70Mbit/s×1.829μs＝128bits。控制器内置时钟为铷原子钟， 实际铷原子钟精度选取±0.01ppb。控制器外部接口包括：IRIG-B DC码时钟信号输入接口、10MHz低相噪直接输出接口、1路1PPS同步输入接口、RS232管理接口、USB接口(不低于USB 3.0，用于系统调试、数据存储及打印)。本发明所述方法能缩短单光子探测器系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的六十四分之一，最大计数频率是单个单光子探测器件的64倍，同时保证不降低探测效率。每个单个通道的超导单光子探测器的死时间Δτ为14.3ns，计数率为70MHz；则保证不降低探测效率的情况下，本发明所述方法所形成的单光子探测器系统的死时间为最大计数率为64×70＝4480MHz。而且，在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测64倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，起到了提高单光子探测器系统的输出码速率的优化效果。集成创新，对单光子探测器的系统性能指标产生了优化成效。
由于量子通信技术利用单个基本粒子如光子等对信息进行编码和操控，因此对单光子探测器提出了极其苛刻的性能要求，如探测效率、计数率、死时间等，远超出现有器件所能实现的性能指标。为了满足这些日益增长的需求，本发明提出了一种能够有效缩短探测死时间的单光子探测器系统及其控制方法。
本发明采用的技术方案，通过性能相同的N个单光子探测器件并行工作，不降低每个单光子探测器件探测效率，来缩短整个系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的N分之一；本发明的技术方案提高了单光子探测器系统的最大计数频率，单光子探测器系统的最大计数频率是单个单光子探测器件的N倍，同时保证不降低探测效率；集成创新，优化了系统性能指标；本发明采用的技术方案，输入端将高速串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，由N个相同性能的单光子探测器单元分别转换为N个并行的电信号，再经过信号汇聚单元，实现电信号的并/串变换，恢复输出单光子探测结果；在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测N倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，达到了提高单光子探测器系统的输出码速率的效果，同时，通过N个低速的廉价的单光子探测器代替1个高速的昂贵单光子探测器，解决了高计数率的单光子探测器件不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制问题，具有经济性和实用性；基于上述技术基础，本发明的技术方案改善了单光子检测技术指标，为多通道单光子探测器以及单光子探测器阵列提供了一种应用场景，进而从应用的角度，推进光子集成技术的发展，推广光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的工程应用，此外缩短了整个系统的探测死时间，改善了单光子检测技术指标，提升量子通信技术水平，进而满足量子通信日益增长的需求。因为，量子通信中的三项核心技术分别是单光子源技术、量子编码和传输技术和单光子检测技术，能推进提升量子逻辑门的速度和精度，在量子计算(quantumcomputation)以及量子计算机(quantum computer)领域，具有积极的促进作用。本发明采用的技术方案，提升了光信号测量技术水平，实现了对极微弱目标信号的有效探测，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射性探测、高能物理、天文测光、激光测距、激光雷达等领域，具有广泛的应用前景。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单光子探测器系统，其特征在于，所述系统包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)；
所述1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)依次连接；
所述控制器(4)分别与1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)连接；
所述1×N光开关(1)，用于完成光信号的串/并转换；
所述单光子探测器组(2)，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；
所述信号汇聚单元(3)，用于完成电信号的并/串转换；
所述控制器(4)，用于控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)功能的执行。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述1×N光开关(1)与所述单光子探测器组(2)通过N根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组(2)与所述信号汇聚单元(3)通过N根相同类型相同长度的电缆连接，N取正整数。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述1×N光开关(1)为机械式光开关、波导光开关或微机电系统光开关。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单光子探测器组(2)由N个相同的单光子探测器单元并行排列组成，N取正整数；
所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；
所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成；
所述单光子探测器为光电倍增管、雪崩光电二极管、增强型光电极管、微通道板、微球板、真空光电二极管、频率上转换单光子探测器、量子点单光子探测器或超导单光子探测器。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号汇聚单元(3)由N×1电开关或者并/串转换单元组成；
所述N×1电开关是旋转式的微机电系统N×1电开关；
所述并/串转换单元包括依次连接的缓存和并/串转换器，所述缓存接收单光子探测器组(2)的N路并行电信号，所述并/串转换器，用于将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×N×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(4)包括内置时钟和外部接口；
所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、原子钟；
所述外部接口包括IRIG-B码时钟信号输入接口、RS232管理接口。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的单光子探测器系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
将1路高速串行光脉冲信号输入至1×N光开关(1)，利用1×N光开关(1)将1路高速串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，并通过所述光纤发送给单光子探测器组(2)，其中，N取正整数；
利用单光子探测器组(2)将N路并行的光信号转换为N路并行的电信号，并通过所述电缆发送给信号汇聚单元(3)；
信号汇聚单元(3)完成输入电信号的并/串转换，将N路并行的电信号转换为1路串行的电信号，其中，N取正整数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述1×N光开关(1)将1路串行的光信号中每N个串行光脉冲转换为N路并行的光信号，其中，N路并行的光信号中每路对应1个光脉冲。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号汇聚单元(3)通过并/串转换器将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的N路并行的电信号中每路对应1个电信号。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制器(4)为1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)提供时钟信号和控制信号；
控制器(4)通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；
控制器(4)通过控制信号控制1×N光开关(1)输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组(2)作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组(2)后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元(3)作为信号汇聚单元(3)输入端的第x路电信号，其中1≤x≤N。
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