CN113340420B - 单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法，涉及量子通信设备测试领域，包括光源、光分路器、多个单光子探测器、时间采集器和控制器，其中：光源用于制备并发射脉冲光信号，光分路器用于按能量将脉冲光信号等分为多束光信号并分别将各束光信号传输至对应连接的单光子探测器，多个单光子探测器用于分别感应对应各条光通道中的光信号产生的雪崩信号并根据雪崩信号，统计光信号中光子的数量，时间采集器用于分别统计各个单光子探测器产生的雪崩信号的到达时间并根据达到时间，生成雪崩信号的时域分布，控制器用于根据多个单光子探测器统计的光子的数量及时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算单光子探测模块的性能指标，节省了人工成本、提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信设备测试领域，具体涉及一种单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法。
背景技术
单光子探测器在量子通信领域中扮演的重要角色，尤其在量子密钥分发系统中，单光子探测器是接收端最为核心的器件，其主要作用是恢复量子编码信号，供后级做基矢比对使用。门控模式的单光子探测器是单光子探测器重要的组成部分，其性能指标包括探测效率、暗计数、后脉冲和半高宽等。目前的量子密钥分发系统中，大多采用由多个门控模式的单光子探测器组成的单光子探测模块来探测光子，各个门控模式的单光子探测器探测效率的一致性是单光子探测模块最为重要的性能指标，其次依次为半高宽、后脉冲概率及暗计数。这些性能指标的好坏直接决定单光子探测模块的好坏，也间接决定了量子密钥分发系统的好坏。当前主要通过人工手动进行多次实验进行标定及校准，人工成本高且效率低。
发明内容
本发明实施例提供了一种单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法，用以解决现有技术存在的缺陷。
为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标标定装置包括：
光源，用于制备并发射脉冲光信号。
光分路器，用于按能量将所述脉冲光信号等分为多束光信号并分别将各束光信号传输至对应连接的单光子探测器，其中，一个光分路器对应连接多个单光子探测器，一个单光子探测器对应一条光通道。
多个单光子探测器，用于分别感应对应各条光通道中的光信号产生的雪崩信号并根据所述雪崩信号，统计所述光信号中光子的数量，其中，一束光信号对应输入一个单光子探测器。
时间采集器，用于分别统计各个单光子探测器产生的雪崩信号的到达时间并根据所述到达时间，生成所述雪崩信号的时域分布。
控制器，用于根据多个所述单光子探测器统计的光子的数量及所述时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算单光子探测模块的性能指标。
作为本发明一个优选的实施方式，所述控制器还用于根据各个所述单光子探测器生成的光子的数量，计算单光子探测模块的暗计数及探测效率。
作为本发明一个优选的实施方式，所述控制器还用于根据各个所述单光子探测器探测效率与时间之间的关系，计算各个所述单光子探测器的半高宽。
作为本发明一个优选的实施方式，所述控制器还用于根据所述时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算所述单光子探测模块的后脉冲概率。
作为本发明一个优选的实施方式，多个所述单光子探测器均为门控模式的单光子探测器。
作为本发明一个优选的实施方式，该单光子探测模块性能指标标定装置还包括：
光衰减器，用于衰减所述光源发射的脉冲光信号的功率。
第二方面，本发明实施例提供了一种单光子探测模块性能指标校准方法，该方法包括以下步骤：
S101，实时扫描微分信号，分别得到各条光通道中处于偏置电压下的单光子探测器的甄别电压及符合门延时；
S102，关闭光源，分别持续增加各条光通道中单光子探测器两端的电压；
S103，实时统计各个单光子探测器的暗计数，当各个所述单光子探测器的暗计数到达设定的阈值时，停止增加各个所述单光子探测器两端的电压；
S104，开启光源，根据时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，分别计算各个所述单光子探测器的后脉冲概率并根据各个所述单光子探测器产生的门控信号的波形图，计算各个所述单光子探测器的半高宽，得到第一半高宽列表；
S105，分别计算各个所述单光子探测器的探测效率，舍弃探测效率最大的单光子探测器及探测效率最小的单光子探测器；
S106，分别计算剩余各个单光子探测器探测效率的平均值并调节剩余各个所述单光子探测器两端的电压，直至剩余各个所述单光子探测器的探测效率等于所述平均值；
S107，分别计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽，得到第二半高宽列表；
S108，根据所述第一半高宽列表及所述第二半高宽列表，计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽的变化量；
S109，分别判断所述变化量是否大于设定的阈值，若否，则计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽的平均值并将所述平均值作为目标半高宽；
S1010，分别计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽与所述目标半高宽的差值并根据所述差值，调节对应单光子探测器门控信号的宽度；
S1011，重复步骤S101-S1010，直至各个所述单光子探测器的半高宽与所述目标半高宽相等。
作为本发明一个优选的实施方式，在步骤S104之后，该单光子探测模块性能指标校准方法还包括：
分别判断各个所述单光子探测器的后脉冲概率是否大于设定的阈值，若是，则调节对应单光子探测器门控信号的宽度；
重复步骤S101-S104，直至各个所述单光子探测器的后脉冲概率均不大于设定的阈值。
本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标标定装置及校准方法具有以下有益效果：
通过光源、光分路器、多个单光子探测器、时间采集器和控制器的组合，实现了对单光子探测模块性能指标的自动标定及校准，节省了人工成本、提高了效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标标定装置结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
术语解释
量子效率、探测效率：所谓量子效率是指单光子探测器响应入射光子的概率，即为输出计数与入射光子数的比值。在实际的应用中，光子偶合后入至射单光子探测器上存在损耗率，为此，包含偶合损耗的探测效率更为重要，探测效率为量子效率与光子偶合后入至射单光子探测器上存在损耗率的乘积。
暗计数：当没有光子入射时，由于器件的材料特性、偏置条件及外界噪声所引起的误计数，被称为暗计数。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标标定装置包括光源、光分路器、多个单光子探测器、时间采集器和控制器。其中：
光源用于制备并发射脉冲光信号。
具体地，该光源可以为脉冲激光器。
光分路器用于按能量将脉冲光信号等分为多束光信号并分别将各束光信号传输至对应连接的单光子探测器，其中，一个光分路器对应连接多个单光子探测器，一个单光子探测器对应一条光通道。
其中，多个单光子探测器组成单光子探测模块。
多个单光子探测器用于分别感应对应各条光通道中的光信号产生的雪崩信号并根据该雪崩信号，统计该光信号中光子的数量，其中，一束光信号对应输入一个单光子探测器。
作为本发明一个可选的实施例，各个单光子探测器均为门控模式的单光子探测器。其中，门控模式的单光子探测器的工作原理如下：
当光子入射时，将门控脉冲信号通过电容加载在单光子探测器上。单光子探测器两端的偏置电压包括直流电压和交流电压，调整直流电压，使得脉冲光信号到来时，单光子探测器上的偏置电压才会大于雪崩电压。
时间采集器用于分别统计各个单光子探测器中雪崩信号的到达时间并根据该到达时间，生成该雪崩信号的时域分布。
控制器用于根据多个单光子探测器统计的光子的数量及时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算单光子探测模块的性能指标。
作为本发明一个可选的实施例，控制器还用于根据各个单光子探测器统计的光子的数量，计算单光子探测模块的暗计数及探测效率。
作为本发明一个可选的实施例，控制器还用于根据各个单光子探测器的探测效率与时间之间的关系，计算各个单光子探测器的半高宽。
作为本发明一个可选的实施例，控制器还用于根据时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算各个单光子探测器的后脉冲概率。
其中，后脉冲现象是单光子探测噪声的主要来源之一。在产生雪崩信号时，雪崩倍增区的任何缺陷都有可能成为载流子的俘获中心。当有光子入射至单光子探测器时，大量的电荷流过单光子探测器的雪崩倍增区，一些载流子被俘获中心俘获。在雪崩信号被抑制后，从俘获中心释放出来的载流子受到电场加速，会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩信号相关联的后脉冲，在没有光子到达时会引起一次误计数。单光子探测器的后脉冲概率可以表示为俘获不同能级载流子概率之和。
作为本发明一个可选的实施例，该单光子探测模块性能指标标定装置还包括：
光衰减器，用于衰减光源发射的脉冲光信号的功率。其中，功率衰减后的脉冲光信号适用于输入单光子探测器。
本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标标定装置包括光源、光分路器、多个单光子探测器、时间采集器和控制器，其中：光源用于制备并发射脉冲光信号，光分路器用于按能量将脉冲光信号等分为多束光信号并分别将各束光信号传输至对应连接的单光子探测器，多个单光子探测器用于分别感应对应各条光通道中的光信号产生的雪崩信号并根据雪崩信号，统计光信号中光子的数量，时间采集器用于分别统计各个单光子探测器产生的雪崩信号的到达时间并根据达到时间，生成雪崩信号的时域分布，控制器用于根据多个单光子探测器统计的光子的数量及雪崩信号的时域分布，计算单光子探测模块的性能指标，节省了人工成本、提高了效率。
实施例2
基于图1所示的单光子探测模块性能指标标定装置，本发明实施例提供的单光子探测模块性能指标校准方法包括以下步骤：
S101，实时扫描微分信号，分别得到6条光通道中处于偏置电压下的单光子探测器的甄别电压及符合门延时。
其中，微分信号是通过对脉冲光信号进行微积分运算得到的。通常需要将光信号转换成电信号，然后利用数字电路或者模拟电路将电信号再转换成光信号。
S102，关闭光源，分别持续增加6条光通道中单光子探测器两端的电压。
S103，实时统计6个单光子探测器的暗计数，当6个单光子探测器的暗计数到达设定的阈值时，停止增加各个单光子探测器两端的电压。
作为本发明一个具体的实施例，当单光子探测器的暗计数为100pcs时，停止增加该单光子两端的电压。
S104，开启光源，根据时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算6个单光子探测器的后脉冲概率并根据6个单光子探测器产生的门控信号的波形图，计算6个单光子探测器的半高宽，得到第一半高宽列表。
作为本发明一个具体的实施例，关闭及开启光源均通过控制器控制。
S105，分别判断各个单光子探测器的后脉冲概率是否大于设定的阈值，若是，则调节对应单光子探测器门控信号的宽度。
S106，重复步骤S101-S105，直至各个单光子探测器的后脉冲概率均不大于设定的阈值。
S107，分别计算6个单光子探测器的探测效率，舍弃探测效率最大的单光子探测器及探测效率最小的单光子探测器。
S108，分别计算剩余4个单光子探测器探测效率的平均值并调节剩余4个单光子探测器两端的电压，直至剩余4个单光子探测器的探测效率均等于平均值。
S109，分别计算剩余4个单光子探测器的半高宽，得到第二半高宽列表。
S1010，根据第一半高宽列表及第二半高宽列表，计算剩余4个单光子探测器的半高宽的变化量。
S1011，分别判断该变化量是否大于设定的阈值，若否，则计算剩余4个单光子探测器的半高宽的平均值并将该平均值作为目标半高宽。
作为本发明一个可选的实施例，当该变化量大于500皮秒时，则产生报警信号。
S1012，分别计算剩余4个单光子探测器的半高宽与该目标半高宽的差值并根据该差值，调节对应单光子探测器门控信号的宽度。
S1013，重复步骤S101-S1012，直至各个单光子探测器的半高宽与该目标半高宽相等。
其中，在调节完单光子探测器门控信号的宽度之后，其探测效率会随之变化，需要重新延时扫描微分信号并设置偏置电压。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种单光子探测模块性能指标校准方法，其特征在于，包括：
S101，实时扫描微分信号，分别得到各条光通道中处于偏置电压下的单光子探测器的甄别电压及符合门延时；
S102，关闭光源，分别持续增加各条光通道中单光子探测器两端的电压；
S103，实时统计各个单光子探测器的暗计数，当各个所述单光子探测器的暗计数到达设定的阈值时，停止增加各个所述单光子探测器两端的电压；
S104，开启光源，根据时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，分别计算各个所述单光子探测器的后脉冲概率并根据各个所述单光子探测器产生的门控信号的波形图，计算各个所述单光子探测器的半高宽，得到第一半高宽列表；
S105，分别计算各个所述单光子探测器的探测效率，舍弃探测效率最大的单光子探测器及探测效率最小的单光子探测器；
S106，分别计算剩余各个单光子探测器探测效率的平均值并调节剩余各个所述单光子探测器两端的电压，直至剩余各个所述单光子探测器的探测效率等于所述平均值；
S107，分别计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽，得到第二半高宽列表；
S108，根据所述第一半高宽列表及所述第二半高宽列表，计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽的变化量；
S109，分别判断所述变化量是否大于设定的阈值，若否，则计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽的平均值并将所述平均值作为目标半高宽；
S1010，分别计算剩余各个所述单光子探测器的半高宽与所述目标半高宽的差值并根据所述差值，调节对应单光子探测器门控信号的宽度；
S1011，重复步骤S101-S1010，直至各个所述单光子探测器的半高宽与所述目标半高宽相等。
2.根据权利要求1所述的单光子探测模块性能指标校准方法，其特征在于，在步骤S104之后，还包括：
分别判断各个所述单光子探测器的后脉冲概率是否大于设定的阈值，若是，则调节对应单光子探测器门控信号的宽度；
重复步骤S101-S104，直至各个所述单光子探测器的后脉冲概率均不大于设定的阈值。
3.一种用于执行权利要求1或2所述的单光子探测模块性能指标校准方法的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于，包括：
光源，用于制备并发射脉冲光信号；
光分路器，用于按能量将所述脉冲光信号等分为多束光信号并分别将各束光信号传输至对应连接的单光子探测器，其中，一个光分路器对应连接多个单光子探测器，一个单光子探测器对应一条光通道；
多个单光子探测器，用于分别感应对应各条光通道中的光信号产生的雪崩信号并根据所述雪崩信号，统计所述光信号中光子的数量，其中，一束光信号对应输入一个单光子探测器；
时间采集器，用于分别统计各个单光子探测器产生的雪崩信号的到达时间并根据所述到达时间，生成所述雪崩信号的时域分布；
控制器，用于根据多个所述单光子探测器统计的光子的数量及所述时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算单光子探测模块的性能指标。
4.根据权利要求3所述的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于：
所述控制器，还用于根据各个所述单光子探测器统计的光子的数量，计算单光子探测模块的暗计数及探测效率。
5.根据权利要求4所述的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于：
所述控制器，还用于根据各个所述单光子探测器的探测效率与时间之间的关系，计算各个所述单光子探测器的半高宽。
6.根据权利要求5所述的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于：
所述控制器，还用于根据所述时间采集器生成的雪崩信号的时域分布，计算所述单光子探测模块的后脉冲概率。
7.根据权利要求3所述的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于，
多个所述单光子探测器均为门控模式的单光子探测器。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的单光子探测模块性能指标标定装置，其特征在于，还包括：
光衰减器，用于衰减所述光源发射的脉冲光信号的功率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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