CN110149155A - 基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，包括低温下的具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器、低温放大器以及常温放大器，输入的光信号经所述串联型超导纳米线单光子探测器转化为电信号，所述串联型超导纳米线单光子探测器的输出端通过同轴线在低温工作区下与低温放大器的输入端相连，低温放大器的输出端通过同轴线由低温放大器连接至室温环境，并通过常温放大器传输至外部检测仪器。本发明利用了串联型单光子探测器的光子数分辨能力以及高速恢复时间，提高了光通信的速率，降低了背景光子对通信系统的影响，并通过对接收信号中光子数信息的提取提高纠错码的纠错能力，实现了高速率、远距离下的少光子通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种少光子通信接收机，特别涉及一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，适用于高速率、远距离通信。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(superconducting-nanowire single-photondetector,SNSPD)是一种新型的单光子探测器。超导纳米线单光子探测器的感光部分使用超导薄膜，例如氮化铌薄膜，制备成的纳米线构成。超导纳米线单光子探测器工作时需要被偏置在超导临界电流之下。当纳米线条吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，在电路上表现为流经探测器上电流突然下降。随后纳米线条经过冷却过程，恢复到初始状态。超导纳米线单光子探测器吸收光子的过程在电路上表现为一快速上升，随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，能够鉴别单光子的到达。
传统的单个超导纳米线单光子探测器受制于其动态电感的限制，最大的光子计数率通常小于50MHz，因此在PPM调制模式下，光通信的最大通信速率受到限制。将传统的超导纳米线单光子探测器组合成为阵列结构，实现复用，能够提高光子计数率，但是每个探测器需要独立的读出电路，增加了系统的复杂度，高速通信时，对阵列信号的数字化处理和解码也带来了困难。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，该单光子探测器采用串联纳米线的结构，每组纳米线并联电阻后，进行串联，由一路端口输出。该单光子探测器具有高速、光子数分辨的特点，通过结合信号处理算法、纠错编码，可以实现高速率的少光子通信。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，包括低温下的具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器、低温放大器以及常温放大器，输入的光信号经所述串联型超导纳米线单光子探测器转化为电信号，所述串联型超导纳米线单光子探测器的输出端通过同轴线在低温工作区下与低温放大器的输入端相连，低温放大器的输出端通过同轴线由低温放大器连接至室温环境，并通过常温放大器传输至外部检测仪器。
进一步的，输入的光信号可以通过光纤，也可以通过窗口，经过自由空间，耦合进入所述串联型超导纳米线单光子探测器，从而实现信号探测。
进一步的，所述电信号经过数字化后，经过滤波，纠错编码算法后，转化成为数字信息。
进一步的，所述基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机中，其中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器与低温放大器安装在制冷装置的内部。
进一步的，所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器采用纳米线并联电阻后串联的结构。
更进一步的，使用所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器可以提取接收光信号中光脉冲携带的光子数信息，从而降低背景光子对光通信的影响。
更进一步的，所述串联型超导纳米线单光子探测器接收光子数的信息，经过计算，转化为接收到此光子数下的最大似然概率(其中c(j)表示第j个PPM时隙脉冲代表的符号，I表示输入，yk,j表示第k个PPM符号的第j个PPM时隙脉冲中的光子数，ns为脉冲平均信号光子数，nb为脉冲平均背景光子数，C为常数)，此概率信息作为软输入信息，输入至纠错码模块，例如SCPPM(串接脉冲位置调制，Serially ConcatenatedPulse-Position Modulation)进行纠错。
进一步的，所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器具有高速探测的特点，当该器件中的一条纳米线产生响应时，其余纳米线仍可继续响应，可以提高光通信的速率。
更进一步的，在串联阵列结构中，当某个器件响应后，需要一定的恢复时间，整个阵列器件的偏置电流才能够恢复。若在此恢复过程中，另有一个或多个器件响应，则会导致输出的脉冲信号在之前的信号上发生叠加。
更近一步的，为了解决信号叠加，无法准确鉴别脉冲幅度和上升沿时间的问题，信号经过数字采样后，通过引入匹配滤波算法，消除脉冲叠加效应。
更进一步的，所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器采用串联纳米线的结构，只需要一路读出，比阵列型超导纳米线单光子探测器的多路读出方式简易。
有益效果：本发明巧妙地利用了串联型结构的超导纳米线单光子探测器的高速性能和光子数分辨的能力，提高了光通信的速率、降低了光子通信中背景光子带来的影响，增强了纠错码在光子通信中的纠错能力，并通过一系列数字信号处理算法将接收信号中信号脉冲的到达时刻与光子数信息准确地提取出来，为高速率、远距离下的少光子通信提供了一种新的方案。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器结构示意图；
图3为本发明中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器结构实物图；
图4为本发明中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器在不同光子数入射时产生的不同的输出脉冲幅度示意图。
图5为本发明的接收信号处理结果图；
图6为本发明实现的通信误码率结果图；
具体实施方式
实施例：以在通信速率为0.8Gbps时的光子通信为例介绍本发明的实施方式。图1为本发明的结构示意图。其中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器与放大器(本发明涉及的低温放大器和常温放大器在图1中统称为放大器)部分中的低温放大器均装载于1.5K制冷机中，通过光纤与同轴线与室温外部系统进行连接。
将一串待发送的原始数据经过SCPPM纠错编码得到发送数据，将该发送数据经由任意波发生器产生相应的电脉冲信号，将电脉冲信号输入至高速电光调制器调至为光脉冲信号，将该光脉冲信号的功率通过可调衰减器与固定衰减器衰减至少光子量级–即每个PPM时隙脉冲内平均光子数仅为几个，再将衰减后的光脉冲信号耦合至具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器(简称单光子探测器或探测器)上。该单光子探测器的结构图示意如图2所示，结构原理图如图3所示。当有单个光子入射时，只有其中一条纳米线产生输出响应；当有多个光子输入时，则会有多条纳米线响应，产生幅度同响应纳米线数目成比例的输出电脉冲，如图4所示。该结构的优势不仅在于具有光子数分辨的能力，且当其中一条纳米线响应后其余纳米线仍可继续响应，并且通过将纳米线串联形成N个阵列，在使用同样探测区域面积的情况下，每个单元器件的电感会减小为LK/N(LK为所有纳米线的动态电感之和)。由于每个单元都并联了电阻Rs，单元器件的恢复时间常数都会减小为LK/(Rs*N)，大大提高了纳米线的响应速率。将单光子探测器的输出信号通过低温放大器和常温放大器进行放大，得到信噪比较高的输出信号，再将输出信号输入示波器进行读取，将读取到的接收信号中完整的一帧数据信息取出，通过差分阈值算法与匹配滤波(Match Filter)滤波算法等算法对接收信号进行处理，数据处理结果如图5所示，最终确定每个输出脉冲到达的时刻与输出脉冲的光子数信息，再将处理后的接收信号经过SCPPM纠错码译码，将译码后的数据与原始数据对比可以计算出该通信系统下的误码率情况，使用与不使用SCPPM纠错码的通信系统的误码率结果如图6所示，图6中的实验结果显示该系统在通信速率为0.8Gbps时，探测光功率达到2.01光子/脉冲时即可进行0误码率通信。
Claims (7)
1.一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，包括低温下的具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器、低温放大器以及常温放大器，输入的光信号经所述串联型超导纳米线单光子探测器转化为电信号，所述串联型超导纳米线单光子探测器的输出端通过同轴线在低温工作区下与低温放大器的输入端相连，低温放大器的输出端通过同轴线由低温放大器连接至室温环境，并通过常温放大器传输至外部检测仪器。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，所述串联型超导纳米线单光子探测器与低温放大器均安装在制冷装置的内部。
3.根据权利要求2所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，所述串联型超导纳米线单光子探测器由超导纳米线构成，每组所述超导纳米线并联电阻后，进行串联，由一路端口输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，所述同轴线位于制冷装置内部。
5.根据权利要求1所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，使用串联型超导纳米线单光子探测器提取出接收信号中光脉冲的光子数信息，从而降低背景光子对光通信的影响并提高所使用的SCPPM纠错码的纠错能力。
6.根据权利要求1所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，所述串联型超导纳米线单光子探测器具有高速的特点，当串联型超导纳米线单光子探测器中的一条纳米线产生响应时，其余纳米线仍能继续响应，从而实现高速率、远距离下的少光子通信。
7.根据权利要求1所述的一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，其特征在于，所述外部检测仪器读取输出信号，并通过数字信号处理算法将输出信号脉冲的到达时刻和光子数信息提取出来。
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