CN114279581B - 一种3GHz以上门控单光子探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3GHz以上门控单光子探测方法，包括，将接收到的光信号通过分束器分为多路光信号，然后使用多个单光子探测器错位采样；采用锁相环PLL同步相参方式，现实不同通道的相对延时固定；采用高精度分辨率时间数字转换器TDC现实高分辨区分探测信号位置信息。本发明的优点在于：结构简单，实现方便，可以基于现有材料限制的单光子探测器实现3GHz以上重复频率的探测应用；在现有材料基础上实现更高重复频率的门控信号的探测。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信领域，特别涉及一种基于单光子探测器实现3Ghz以上门控单光子探测的方法。
背景技术
单光子探测器是用来检测弱光信号的高灵敏度探测装置，是量子密钥分发 (QKD)重要组成部分。探测器在其他领域也有着广泛的应用，如光纤传感、光纤通信、激光雷达、及生物成像等。现有的单光子探测器中，较为常用的是雪崩光电二极管(APD)，其主要材质是InGaAs，其具有探测效率高、结构精巧、可靠性高以及能耗低等特点。但现今随着对于QKD传输速率要求越来越高，普通单光子探测器已经无法满足要求。
随着QKD传输速率的上升，其重复频率不断提高，对于核心接收部件单光子探测器重复频率也随之升高。当系统重复频率达到3GHz以上时，单光子探测器需要现实分辨333ps间隔光子信号。当前InGaAs材质的单光子雪崩二极管，模拟带宽为3GHz。3GHz以上窄脉冲激光信号无法探测。QKD系统中时间相位编码方案，需要探测每个位置信息。目前1.5GHz以上时间相位编码，无法实现。量子密钥分发系统其他编码方案，重复频率大于3GHz以上，暂时无法使用门控模式现实。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种3GHz以上门控单光子探测方法，通过现有雪崩二极管实现更高重复频率门控探测器的实现方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种3GHz以上门控单光子探测方法，包括，将接收到的光信号通过分束器分为多路光信号，然后使用多个单光子探测器错位采样；采用锁相环PLL同步相参方式，现实不同通道的相对延时固定；采用高精度分辨率时间数字转换器TDC现实高分辨区分探测信号位置信息。
所述锁相环PLL产生相参信号作为时间数字转换器TDC的参考时钟，同时产生多路门控触发信号。
锁相环PLL产生门控触发信号后通过与单光子探测器数量相同的移相器对每路门控触发信号进行相对延时，使得相邻两路门控触发信号之间相差200ps，然后将其转换成窄脉冲信号后经过放大送入至对应的单光子探测器产生开门信号。
一种3GHz以上门控单光子探测系统，包括多个单光子探测器、分束器、时间数字转换器、锁相环PLL，量子信道光纤传来的光送入至分束器中，所述分束器将光信号分为多路光信号后，然后每路光信号通过一个单光子探测器进行探测后送入到时间数字转换器TDC进行区分探测信号位置信息；所述锁相环PLL 采用锁相环PLL同步相参方式产生多个通道对应的门控触发信号，以实现不同通道的相对延时固定。
所述锁相环PLL产生多路门控触发信号，其门控触发信号的输出端分别连接多个移相器，用于将每路门控触发信号进行相对延时设置的时间；每个移相器的输出端经窄脉冲电路对延时后的门控触发信号进行整形为窄脉冲信号并通过放大后送入到对应的单光子探测器用于产生开门信号。
本发明的优点在于：结构简单，实现方便，可以基于现有材料限制的单光子探测器实现3GHz以上重复频率的探测应用；在现有材料基础上实现更高重复频率的门控信号的探测；同时在短距离时通过多个探测成倍提高系统饱和计数，提升传输数据量；通过窄脉冲门技术降低探测器的误探测概率；可用于实现超远距离光通信。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明3GHz以上门控单光子探测系统以双探测器为例的实施示意图；
图2为本发明时间相位编码输出光调制信号示意图；
图3为本发明双探头光信号与开门信号关系示意图；
图4为本发明时间数字转换器显示探测结果示意图；
图5为本发明三探头光信号与开门信号关系示意图；
图6为PLL输出正弦波信号经过窄脉冲电路整形成75ps左右窄脉冲示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明中通过现有雪崩二极管实现更高重复频率门控探测器的实现方法。主要包括通过现有探测器现实探测3GHz以上重复频率的窄脉冲光子信号；通过窄脉冲技术，降低普通正弦波门控信号探测到叠加峰或相邻的光信号概率；将原有的一分多，然后使用多个单光子探测器错位采样；采用PLL同步相参方式，现实不同通道的相对延时固定，保证其测量结果的准确性。使用高精度分辨率时间数字转换器(TDC)现实高分辨区分探测信号位置信息。
以双探测器为例，将一束光信号一分为二，实现3GHz以上门控探测器方法，用以解决现今情况下材料限制的单光子探测器不能支持3GHz以上重复频率的问题。下面以2.5GHz双探测器探测5GHz窄脉冲为例，实现2.5GHz时间相位编码。
如图1所示，信号链路方向；
量子信道光纤进入后，通过分束器将原来光一分为二，分别进入两个2.5GHz 单光子探测器。两个探测器将探测器结果输出给时间数字转换器(TDC)中。
由内部锁相环产生相参信号作为TDC的参考时钟，同时产生两路2.5GHz门控触发信号。通过移相器调节两通道相对延时，现实最终输出探测器结果两路相差200ps。触发信号进入窄脉冲电路将原来200ps正弦波信号，整形为75ps 窄脉冲信号。该信号进入放大后进入单光子雪崩二极管产生开门信号。
原理解析：
通过PLL产生相差信号进入TDC和产生两路2.5GHz门控触发信号。相参能够同步，避免异步采样抖动，同时确保两路2.5GHz触发信号间隔时间固定。通过调节两路探测器开门时间相差200ps，实现拼接功能采样5GHz单光子信号。通过产生窄脉冲门控信号(见图4)消除宽门探测到叠加峰信号，详细见图3；通过高分辨TDC将两路探测器结果分析出来见图4，间隔200ps显示一个结果。
如图2所示：时间相位编码输出光脉冲4组编码，需要探测器探测每组编码每个位置的光脉冲状态，如果采用部分探测无法完成解码。通过本发明方案如图3所示：通过错延时和窄脉冲技术对每个脉冲信号的探测。通过TDC显示出相关位置信息，如图4所示；光纤中的光信号进入后通过分束器，将原来信号一分为N(2，3，4……)，分束的光分别进入每路的单光子探测器；
产生多路相参信号，参考时钟信号进入时间数字转换器TDC，作为外部参考时钟。同时利用锁相环(PLL)产生多路相参信号作为门控信号；
通过PLL产生相参多路门控触发信号，通过调节通道之间相位延时使其输出在TDC上显示相隔对应时间间隔；
将PLL输出正弦波信号经过窄脉冲电路整形成75ps左右窄脉冲(见图6)，经过放大器作为探测开门信号；
探测器输出雪崩信号经过甄别处理输出探测信号进入TDC进行高分辨率(ps 量级)进行测试显示。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种3GHz以上门控单光子探测方法，其特征在于：包括，将接收到的光信号通过分束器分为多路光信号，然后使用多个单光子探测器错位采样；采用锁相环PLL同步相参方式，现实不同通道的相对延时固定；采用高精度分辨率时间数字转换器TDC现实高分辨区分探测信号位置信息；所述锁相环PLL产生相参信号作为时间数字转换器TDC的参考时钟，同时产生多路门控触发信号；锁相环PLL产生门控触发信号后通过与单光子探测器数量相同的移相器对每路门控触发信号进行相对延时，使得相邻两路门控触发信号之间相差200ps，然后将其转换成窄脉冲信号后经过放大送入至对应的单光子探测器产生开门信号；
时间相位编码输出光脉冲4组编码，需要探测器探测每组编码每个位置的光脉冲状态，通过错延时和窄脉冲技术对每个脉冲信号的探测，通过TDC显示出相关位置信息，光纤中的光信号进入后通过分束器，将原来信号一分为N，分束的光分别进入每路的单光子探测器；产生多路相参信号，参考时钟信号进入时间数字转换器TDC，作为外部参考时钟；同时利用锁相环PLL产生多路相参信号作为门控信号；通过PLL产生相参多路门控触发信号，通过调节通道之间相位延时使其输出在TDC上显示相隔对应时间间隔；
将PLL输出正弦波信号经过窄脉冲电路整形成75ps左右窄脉冲，经过放大器作为探测开门信号；
探测器输出雪崩信号经过甄别处理输出探测信号进入TDC进行高分辨率进行测试显示。
2.一种3GHz以上门控单光子探测系统，其特征在于：所述探测系统用于运行如权利要求1所述的3GHz以上门控单光子探测方法，所述探测系统包括多个单光子探测器、分束器、时间数字转换器、锁相环PLL，量子信道光纤传来的光送入至分束器中，所述分束器将光信号分为多路光信号后，然后每路光信号通过一个单光子探测器进行探测后送入到时间数字转换器TDC进行区分探测信号位置信息；所述锁相环PLL采用锁相环PLL同步相参方式产生多个通道对应的门控触发信号，以实现不同通道的相对延时固定。
3.如权利要求2所述的一种3GHz以上门控单光子探测系统，其特征在于：所述锁相环PLL产生多路门控触发信号，其门控触发信号的输出端分别连接多个移相器，用于将每路门控触发信号进行相对延时设置的时间；每个移相器的输出端经窄脉冲电路对延时后的门控触发信号进行整形为窄脉冲信号并通过放大后送入到对应的单光子探测器用于产生开门信号。
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