CN115479679A - 光子数分辨探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子数分辨技术领域，提供一种光子数分辨探测装置，其包括信号接收模块、光纤分束器、多根延时调节光纤以及单光子探测器，信号接收模块用于接收光信号；光纤分束器具有至少一个光纤分束器入口和多个光纤分束器出口，光纤分束器入口连接信号接收模块；多根延时调节光纤的一端与多个光纤分束器出口一一对应连接，且不同延时调节光纤的长度不同；多根延时调节光纤的另一端均对接至单光子探测器的传感芯片表面。本发明的光子数分辨探测装置，通过光纤分束器和不同长度的延时调节光纤配合，协同探测多个光子，实现基于时分复用的光子数分辨探测，而且结构简单，能够利用多种单光子探测器实现光子数的分辨，扩展单光子探测器的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及光子数分辨技术领域，尤其涉及一种光子数分辨探测装置。
背景技术
单光子探测器是用来探测微弱光信号的高灵敏度探测装置。单光子探测器在很多领域有着广泛的应用，如量子密匙分发、光纤传感、光纤通信、激光雷达、生物成像等。单光子探测器的信号输出形式一般为表征有无光信号的矩形脉冲信号，高电平输出代表探测到光信号，低电平输出代表没有探测到光信号。
光子数分辨是指分辨光脉冲中的光子数。光子数分辨对于量子光学领域和量子信息系统中的许多应用是很重要的，例如在线性光学的量子计算和量子通信、激光雷达等方面的应用。现有的单光子探测器大多难以实现光子数的分辨。
现有的光子数分辨探测装置，通常采用多个独立的高性能单光子探测器协同探测多个光子，进而实现入射光子数的分辨。然而使用多个单光子探测器增加光子数分辨探测装置的总体尺寸，而且随着探测光子数的增加，光子数分辨探测系统的复杂度也增加，拓展存在限制。
发明内容
本发明提供一种光子数分辨探测装置，用以解决现有技术中单光子探测器用于实现光子数分辨探测的局限性，实现基于时分复用的光子数分辨探测装置。
本发明提供一种光子数分辨探测装置，包括：
信号接收模块，用于接收光信号；
光纤分束器，具有至少一个光纤分束器入口和多个光纤分束器出口，所述光纤分束器入口连接所述信号接收模块；
多根延时调节光纤，多根所述延时调节光纤的一端与多个所述光纤分束器出口一一对应连接，且不同所述延时调节光纤的长度不同；
单光子探测器，多根所述延时调节光纤的另一端均对接至所述单光子探测器的传感芯片表面。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述光纤分束器入口的数量小于等于所述光纤分束器出口的数量，所述光纤分束器出口的数量范围为1-1000000。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述延时调节光纤的长度对应的延时范围为0-10-6秒。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，不同所述延时调节光纤之间的长度差对应的最小延时间隔为10-9秒。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述单光子探测器包括光电倍增管、雪崩二极管、超导纳米线、微波动态电感传感器、超导相变边沿传感器中的任一种。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述单光子探测器的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述传感像元表面。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述光子数分辨探测装置包括多个所述单光子探测器，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述单光子探测器的传感芯片表面。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，至少一个所述单光子探测器的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述单光子探测器的多个传感像元表面。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述信号接收模块包括多个接收端口，多个所述接收端口均与所述光纤分束器入口连接。
根据本发明提供的光子数分辨探测装置，所述光子数分辨探测装置还包括成像光学元件或成像光学元件组合，所述延时调节光纤通过所述成像光学元件或所述成像光学元件组合对接至所述单光子探测器的传感芯片表面。
本发明提供的光子数分辨探测装置，通过具有不同数目的出口及入口的光纤分束器和多根不同长度的延时调节光纤的配合，协同探测多个光子，实现基于时分复用技术的入射光子数的分辨，而且结构简单，光子数分辨探测装置可以随着探测光子数的增加而简单方便地扩展，没有拓展限制，也没有最大可分辨光子数的限制，实用价值较高；另外，通过采用时分复用技术，无需限定单光子探测器的类型，能够利用多种单光子探测器实现光子数的分辨，扩展单光子探测器的应用领域，有效解决现有技术中单光子探测器用于实现光子数分辨探测的局限性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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是本发明提供的光子数分辨探测器装置的结构示意图。
附图标记：
1：信号接收模块；2：光纤分束器；3：延时调节光纤；4：单光子探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作出创造性劳动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。
如图1所示，本发明的光子数分辨探测装置，包括信号接收模块1、光纤分束器2、多根延时调节光纤3以及单光子探测器4，其中，信号接收模块1用于接收光信号，光纤分束器2具有至少一个光纤分束器入口和多个光纤分束器出口，光纤分束器入口均连接信号接收模块1；多根延时调节光纤3的一端与多个光纤分束器出口一一对应连接，且不同的延时调节光纤3的长度不同；多根延时调节光纤3的另一端均对接至单光子探测器4的传感芯片表面。
在本实施例中，通过信号接收模块1接收光信号，光信号通过与信号接收模块1连接的光纤分束器入口被输入到光纤分束器2，光纤分束器2具有N个光纤分束器出口，从而光信号被光纤分束器2分为N路；对应地包括N根不同长度的延时调节光纤3，各个光纤分束器出口分别对应地连接不同长度的延时调节光纤3，N根延时调节光纤3再集中对接至同一个单光子探测器4的传感芯片表面，此处对接可以理解为对准连接，即延时调节光纤3的端部对准传感芯片表面地连接于单光子探测器4，而且对准连接可以是直接对准连接，也可以是间接对准连接，即延时调节光纤3的端部与传感芯片表面可以是接触对准，也可以是空间对准(即非接触对准)，从而N路光信号通过N个光纤分束器出口输出分别进入对应的不同长度的延时调节光纤3内；由于不同长度的延时调节光纤3对应具有不同的延时时间，N路光信号经过延时调节光纤3后到达单光子探测器4的传感芯片表面的时间不同，从而单个单光子探测器4实现对N个通道的时分复用，单个单光子探测器4可以时分复用地对光信号进行探测，使得不同通道接收到的光子能够在合束之后，仍能从时间上清楚地区分开，可以利用时分复用实现微弱光的单脉冲光子计数，进而实现基于时分复用的光子数分辨探测。
本发明的光子数分辨探测装置，通过具有不同数目的出口及入口的光纤分束器2和多根不同长度的延时调节光纤3的配合，协同探测多个光子，实现基于时分复用技术的入射光子数的分辨，而且结构简单，光子数分辨探测装置可以随着探测光子数的增加而简单方便地扩展，没有拓展限制，也没有最大可分辨光子数的限制，实用价值较高；另外，通过采用时分复用技术，无需限定单光子探测器4的类型，能够利用多种单光子探测器4实现光子数的分辨，扩展单光子探测器4的应用领域，有效解决现有技术中单光子探测器用于实现光子数分辨探测的局限性。
具体地，信号接收模块1为光纤信号接收端，用于接收光纤输入的光信号。光子数分辨探测装置可以探测光脉冲中的光子数，理想情况下，当入射0到n个光子时，能够通过光子数分辨探测装置实时输出的n+1个状态来分辨入射的光子数。
在一个实施例中，光子数分辨探测装置还包括光纤合束器，N根延时调节光纤3通过光纤合束器合并为1路，最终集中对准单光子探测器4的传感芯片表面(即光感面)。通过采用光纤合束器，对多根延时调节光纤3中的光子的合束效果较好，而且损耗较小，有利于提高光子数分辨的准确性。
具体地，光纤分束器入口的数量小于等于光纤分束器出口的数量，光纤分束器出口的数量范围为1-1000000。
在本实施例中，光纤分束器出口的数量为N，N为正整数，其中，N的取值范围为1-1000000；使用时，用户可以根据实际探测光子数量的需求，选择具有对应光纤分束器出口数量的光纤分束器2，满足实际使用需求。同时，光纤分束器入口的数量小于等于光纤分束器出口的数量，也就是说，光纤分束器入口的数量可以为1-N，同样可以根据实际需求选择。光纤分束器2可以根据实际使用需求，选择对应的出口和入口数量，使用更加方便灵活，而且没有拓展限制，也没有最大可分辨光子数限制，实用价值更高。
具体地，延时调节光纤3的长度对应的延时范围为0-10-6秒。
在本实施例中，基于不同长度的延时调节光纤3对应具有不同的延时时间，通过限定不同的延时调节光纤3的长度，实现对不同的延时调节光纤3的延时时间的限定；其中，长度最短的延时调节光纤3对应的延时为0秒，长度最长的延时调节光纤3对应的延时为10-6秒，从而实现延时调节光纤3的长度对应的延时范围为0-10-6秒，满足实际使用需求，实用性强。
具体地，不同的延时调节光纤3之间的长度差对应的最小延时间隔为10-9秒。
在本实施例中，通过选择控制各根延时调节光纤3的长度，使得任意两根延时调节光纤3之间的长度差对应的延时时间均大于10-9秒，确保不同通道接收到的光子在合束之后，仍能从时间上清楚地区分开，单光子探测器4可以时分复用地对光信号进行探测，实现基于时分复用的光子数分辨探测。
具体地，单光子探测器4包括光电倍增管、雪崩二极管、超导纳米线、微波动态电感传感器、超导相变边沿传感器中的任一种。
在本实施例中，单光子探测器4可以是基于光电倍增管的单光子探测器，也可以是工作在盖革模式下的雪崩光电二级管，还可以是超导纳米线单光子探测器、微波动态电感传感器、超导相变边沿传感器等；本发明的光子数分辨探测装置，能够利用多种单光子探测器4实现光子数的分辨，单光子探测器4的种类不受限制，有效扩展单光子探测器4的应用领域，实用性更强。
在一个实施例中，单光子探测器4的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根延时调节光纤3对应分为多组，多组延时调节光纤3一一对应地对接至单光子探测器4的多个传感像元表面。
在本实施例中，单光子探测器4可以具有L个不同的传感像元表面，N根延时调节光纤3对应分为L组，每一组延时调节光纤3均包括至少一根延时调节光纤3，也就是说L≤N；L组延时调节光纤3一一对应地对接至单光子探测器4的L个不同传感像元表面。光信号通过光纤分束器2进入延时调节光纤3分为L批，对接至一个单光子探测器4的L个传感像元表面，最大可实现L批光子数分辨。
通过将单光子探测器4的传感芯片表面和延时调节光纤3分为多组，可以实现同时对多批入射光子数的分辨，增强光子数分辨探测装置的使用功能和光子数分辨效率，实用价值更高。
在另一个实施例中，光子数分辨探测装置包括多个单光子探测器4，多根延时调节光纤3对应分为多组，多组延时调节光纤3一一对应地对接至多个单光子探测器4的传感芯片表面。
在本实施例中，光子数分辨探测装置可以包括M个相同或者不同种类的单光子探测器4，N根延时调节光纤3对应分为M组，每一组延时调节光纤3均包括至少一根延时调节光纤3，也就是说M≤N；M组延时调节光纤3一一对应地对接至M个不同单光子探测器4的传感芯片表面。光信号通过光纤分束器2进入延时调节光纤3分为M批，对接至M个不同单光子探测器4的传感芯片表面，最大可实现M批光子数分辨。
通过设置多个单光子探测器4和将延时调节光纤3分为多组，可以实现同时对多批入射光子数的分辨，增强光子数分辨探测装置的使用功能和光子数分辨效率，实用价值更高。
进一步地，多个单光子探测器4中的至少一个单光子探测器4的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根延时调节光纤3分为多组，多组延时调节光纤3一一对应地对接至多个单光子探测器4的多个传感像元表面。
在本实施例中，光子数分辨探测装置包括S个相同或者不同种类的单光子探测器4，每个单光子探测器4的传感芯片表面均能够分为至少一个传感像元表面，而且其中至少一个单光子探测器4的传感芯片表面分为T个传感像元表面，T＞1，则S个单光子探测器4总共包括R个传感像元表面，R＞S；N根延时调节光纤3对应分为R组，每一组延时调节光纤3均包括至少一根延时调节光纤3，也就是说R≤N。R组延时调节光纤3一一对应地对接至S个不同单光子探测器4的总共R个不同传感像元表面。光信号通过光纤分束器2进入延时调节光纤3分为R批，对接至S个不同单光子探测器4的R个传感像元表面，最大可实现R批光子数分辨。
通过设置多个单光子探测器4以及将单光子探测器4的传感芯片表面和延时调节光纤3分为多组，可以实现同时对多批入射光子数的分辨，进一步增强光子数分辨探测装置的使用功能和光子数分辨效率，实用价值更高。
具体地，信号接收模块1包括多个接收端口，多个接收端口均与光纤分束器入口连接。通过信号接收模块1设置多个接收端口，可以同时接收多路光信号，多路光信号的光子均被输入到光纤分束器内，从而实现对多路光信号的光子数分辨，增强光子数分辨探测装置的使用功能，实用价值更高。
在一个具体实施例中，信号接收模块1为光纤信号接收端，光纤信号接收端可以包含任意多个子端口，所有子端口接收的光子均被输入到光纤分束器入口。
在一个实施例中，光子数分辨探测装置还包括成像光学元件或成像光学元件组合，延时调节光纤3通过成像光学元件或成像光学元件组合对接至单光子探测器4的传感芯片表面。
在本实施例中，通过设置成像光学元件或成像光学元件组合，将延时调节光纤3对接至单光子探测器4的传感芯片表面，有利于降低损耗，提高光子数分辨的准确性。
例如，成像光学元件为透镜，成像光学元件组合为透镜阵列。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光子数分辨探测装置，其特征在于，包括：
信号接收模块，用于接收光信号；
光纤分束器，具有至少一个光纤分束器入口和多个光纤分束器出口，所述光纤分束器入口连接所述信号接收模块；
多根延时调节光纤，多根所述延时调节光纤的一端与多个所述光纤分束器出口一一对应连接，且不同所述延时调节光纤的长度不同；
单光子探测器，多根所述延时调节光纤的另一端均对接至所述单光子探测器的传感芯片表面。
2.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述光纤分束器入口的数量小于等于所述光纤分束器出口的数量，所述光纤分束器出口的数量范围为1-1000000。
3.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述延时调节光纤的长度对应的延时范围为0-10-6秒。
4.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，不同所述延时调节光纤之间的长度差对应的最小延时间隔为10-9秒。
5.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述单光子探测器包括光电倍增管、雪崩二极管、超导纳米线、微波动态电感传感器、超导相变边沿传感器中的任一种。
6.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述单光子探测器的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述传感像元表面。
7.根据权利要求1所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述光子数分辨探测装置包括多个所述单光子探测器，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述单光子探测器的传感芯片表面。
8.根据权利要求7所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，至少一个所述单光子探测器的传感芯片表面分为多个传感像元表面，多根所述延时调节光纤分为多组，多组所述延时调节光纤一一对应地对接至多个所述单光子探测器的多个传感像元表面。
9.根据权利要求1至8任一项所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述信号接收模块包括多个接收端口，多个所述接收端口均与所述光纤分束器入口连接。
10.根据权利要求1至8任一项所述的光子数分辨探测装置，其特征在于，所述光子数分辨探测装置还包括成像光学元件或成像光学元件组合，所述延时调节光纤通过所述成像光学元件或所述成像光学元件组合对接至所述单光子探测器的传感芯片表面。
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