CN117097410B - 一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片 - Google Patents

一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明属于保密通信技术领域，公开了一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片，包括如下步骤：测量真空散粒噪声与探测器电噪声之和，用于信号校正；调幅信号光与本振光进行干涉，产生两路干涉输出结果；探测两路干涉输出结果，产生两路光电流并进行差分，得到差分电流；差分电流经放大模块放大后产生电信号，并进入高速采样模块进行信号采样；对高速采样模块输出的信号进行处理，采用预定方法对信号光进行解调。本发明通过设置本振光信号与待测光信号之间的差频对应周期远小于待测光信号的持续时间，可以实现单光子量级的光信号探测，大大提高了极弱光探测的信噪比，在超远距离光通信、远距离激光雷达探测等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，特别涉及一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片。
背景技术
相干探测在光学测量中具有高分辨率、抗干扰能力强、多通道测量、全息成像等优点，是一种重要的光学测量技术，在光通信、激光雷达、光学传感等领域具有广泛的应用。在相干探测技术中，平衡探测通过将两路干涉信号直接相减，可以将两路的直流分量抵消，从而消除信号起伏对测量结果的影响，具有极强的实用性。
常规的相干探测器或平衡探测器在解调信号时需要准确知道信号的频率和相位，这在很多场景下是难以实现的，如相位会受信道扰动、散粒噪声等因素影响而随机变化。特别是当传输距离非常远、接收到的信号非常微弱，甚至达到单光子量级时，使用常规的相干探测器难以探测到，信号会淹没在探测器的散粒噪声中无法分辨。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种单光子量级的平衡探测方法及平衡探测芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种单光子量级的平衡探测方法，包括如下步骤：
步骤S1：当没有信号输入时，为本振光与真空态干涉，直接测量真空散粒噪声与探测器电噪声之和，用于信号校正；
步骤S2：单光子量级的调幅信号光与本振激光器产生的本振光通过分束器进行干涉，产生两路干涉输出结果；
步骤S3：使用两个光电二极管探测两路干涉输出结果，产生两路光电流并进行差分，得到差分电流；
步骤S4：差分电流经放大模块放大后产生电信号，并进入高速采样模块进行信号采样；
步骤S5：使用信号处理模块对高速采样模块输出的信号进行处理，采用预定方法对信号光进行解调；
所述调幅信号光的脉冲持续时间不小于本振光与信号光之间的差频对应周期的2倍；
所述光电二极管的量子效率大于70%；
所述放大模块的增益带宽积不小于差频的大小，噪声小于0.1倍散粒噪声；
所述高速采样模块的采样频率不小于本振光与信号光之间差频的2倍。
优选地，所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行信号整流和检峰，并将峰值的平均值与预定阈值进行比较。
优选地，所述预定方法为信号处理模块计算高速采样模块输出的信号光原始数据的方差，减去步骤S1中得到的真空散粒噪声后得到信号光幅值的方差。
优选地，所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行数字滤波、信号整流和低通滤波，并输出包络幅值。
本发明还公开了一种单光子量级的平衡探测芯片，包括光芯片、放大模块、高速采样模块和处理模块，所述光芯片包激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，
所述激光二极管LD与波导分束器BS的一个输入端口连接；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别与第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2相连；
所述波导分束器BS的分束比为50：50。
优选地，所述激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2集成封装在光芯片上，
所述激光二极管LD通过透镜对准耦合到波导分束器BS的一个输入端口；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别通过透镜耦合到第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2。
优选地，所述波导分束器BS的材料为PLC波导。
优选地，所述第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2为InGaAs PIN管。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出了一种单光子量级的平衡探测方法及芯片通过设置本振光信号与待测光信号之间的差频对应周期远小于待测光信号的持续时间，采用高速采样模块进行信号采集，并使用高量子效率的光电二极管和低噪声的放大模块，可以实现单光子量级的光信号探测，大大提高了极弱光探测的信噪比，在超远距离光通信、远距离激光雷达探测等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明单光子量级的平衡探测芯片结构原理框图；
图2为OOK调制信号的波形图；
图3为真空散粒噪声的波形图；
图4为本发明探测结果信号与噪声叠加的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
一种单光子量级的平衡探测方法，包括如下步骤：
步骤S1：当没有信号输入时，相当于本振光与真空态干涉，直接测量真空散粒噪声与探测器电噪声之和，用于信号校正；
步骤S2：单光子量级的调幅信号光与本振激光器产生的本振光通过分束器进行干涉，产生两路干涉输出结果；
步骤S3：使用两个光电二极管探测两路干涉输出结果，产生两路光电流并进行差分，得到差分电流；
步骤S4：差分电流经放大模块放大后产生电信号，并进入高速采样模块进行信号采样；
步骤S5：使用信号处理模块对高速采样模块输出的信号进行处理，采用预定方法对信号光进行解调；
所述光电二极管具有高量子效率；
所述调幅信号光的脉冲持续时间不小于本振光与信号光之间的差频对应周期的2倍；
所述放大模块的增益带宽积不小于差频的大小，噪声小于0.1倍散粒噪声；
所述高速采样模块的采样频率不小于本振光与信号光之间差频的2倍。
如图1所示，本发明的一种单光子量级的平衡探测芯片，包括光芯片、放大模块、高速采样模块和处理模块，所述光芯片包激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，
所述激光二极管LD与波导分束器BS的一个输入端口连接；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别与第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2相连；
所述波导分束器BS的分束比为50：50。
所述光芯片为集成封装的激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，
所述激光二极管LD通过透镜对准耦合到波导分束器BS的一个输入端口；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别通过透镜耦合到第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2。
所述波导分束器BS的材料为PLC波导。
所述第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2为InGaAs PIN管。
具体原理如下：
本振激光器LD产生的本振光可写为
其中，分别为本振光的幅度、频率、初始相位。
由于信号光很弱，为单光子量级，具有量子效应，则其可写为
其中，分别为信号光频率、初始相位，正则分量X和P满足，为信号光的幅度。
信号光与本振光进行干涉，产生两路干涉输出结果，可分别写为
两路干涉输出结果分别进入一个光电二极管进行探测，产生两路光电流并进行差分，得到的差分光子数算符为
其中，，/>为本振光与信号光之间的差频。
当没有信号输入时，平衡探测器相当于测量真空涨落，测量结果为真空散粒噪声
其中为真空态与本振光之间的相位差，真空态具有随机相位/>。
考虑真空散粒噪声，则相应的差分电流可写为
其中，R为探测器的响应系数，即为中频信号。
由于信号光的脉冲持续时间不小于本振光信号与信号光之间的差频变化周期的2倍，在信号光的一个脉冲持续时间内，中频信号会在[0,2π)范围内遍历，因此当幅度达到最大值时即可得到信号光的幅度
信号电流方差和真空散粒噪声分别为
因此，可得信噪比。当SNR=1时为平衡探测器的灵敏度，即能探测到1个光子。
随后放大后的电信号进入高速采样模块进行信号采样，为了能够将中频信号的变化都采集到，不遗漏其最大值，根据奈奎斯特采样定理，需要高速采样模块的采样频率不小于本振光信号与待测光信号之间差频的2倍。使用信号处理模块对高速采样模块输出的信号进行处理，采用预定方法对信号光进行解调。
假设待测信号光为OOK（on off keying开关光）调幅信号，如图2所示，其方差与如图3所示的真空散粒噪声相等，平衡探测的结果为信号与噪声的叠加，如图4所示。
实施例一
所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行信号整流和检峰，并将峰值的平均值与预定阈值进行比较。
具体原理如下：
对信号光测得的原始数据电信号进行信号整流，得到信号的绝对值为
最大值为。因此，根据采样N个数据中出现的M个峰值/>，得到峰值的平均值/>。
对于OOK调制信号，比特0对应信号光幅度为0，比特1对应信号光幅度为，系统噪声为真空散粒噪声/>，则可预定一个阈值为/>。将峰值的平均值/>与预定阈值进行比较，当其大于阈值时，为比特1；否则为比特0。即可完成信号光的解调。
实施例二
所述预定方法为信号处理模块计算高速采样模块输出的信号光原始数据的方差，减去步骤S1中得到的真空散粒噪声后得到信号光幅值的方差。
具体原理如下：
平衡探测器电信号的方差为Dt，真空散粒噪声为，则信号方差为
因此可以计算出信号的幅度为。
对于OOK调制信号，比特0对应信号光幅度为0，比特1对应信号光幅度为，系统预定一个阈值为/>，信号的幅度与预定阈值/>进行比较，当其大于阈值时，为比特1；否则为比特0。即可完成信号光的解调。
实施例三
所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行数字滤波、信号整流和低通滤波，并输出包络幅值。
具体原理如下：
对信号光测得的原始数据电信号首先进行数字滤波，选择以本振光信号与信号光之间的差频为中心的带通滤波器，滤除高频和低频信号。
然后进行信号整流，得到信号的绝对值为
最大值为。
对整流后的信号再进行低通滤波，得到信号的包络幅值，并根据预定的阈值进行检测。阈值设定为，大于该阈值的部分即为比特1，小于该阈值的部分为比特0。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种单光子量级的平衡探测方法及芯片，通过设置本振光信号与待测光信号之间的差频对应周期远小于待测光信号的持续时间，采用高速采样模块进行信号采集，并使用高量子效率的光电二极管和低噪声的放大模块，可以实现单光子量级的光信号探测，大大提高了极弱光探测的信噪比，在超远距离光通信、远距离激光雷达探测等领域具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种单光子量级的平衡探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：当没有信号输入时，为本振光与真空态干涉，直接测量真空散粒噪声与探测器电噪声之和，用于信号校正；
步骤S2：单光子量级的调幅信号光与本振激光器产生的本振光通过分束器进行干涉，产生两路干涉输出结果；
步骤S3：使用两个光电二极管探测两路干涉输出结果，产生两路光电流并进行差分，得到差分电流；
步骤S4：差分电流经放大模块放大后产生电信号，并进入高速采样模块进行信号采样；
步骤S5：使用信号处理模块对高速采样模块输出的信号进行处理，采用预定方法对信号光进行解调；
所述调幅信号光的脉冲持续时间不小于本振光与信号光之间的差频对应周期的2倍；
所述放大模块的增益带宽积不小于差频的大小，噪声小于0.1倍散粒噪声；
所述高速采样模块的采样频率不小于本振光与信号光之间差频的2倍。
2.根据权利要求1所述的单光子量级的平衡探测方法，其特征在于，所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行信号整流和检峰，并将峰值的平均值与预定阈值进行比较。
3.根据权利要求1所述的单光子量级的平衡探测方法，其特征在于，所述预定方法为信号处理模块计算高速采样模块输出的信号光原始数据的方差，减去步骤S1中得到的真空散粒噪声后得到信号光幅值的方差。
4.根据权利要求1所述的单光子量级的平衡探测方法，其特征在于，所述预定方法为信号处理模块对高速采样模块输出的信号光原始数据进行数字滤波、信号整流和低通滤波，并输出包络幅值。
5.一种单光子量级的平衡探测芯片，其特征在于，包括光芯片、放大模块、高速采样模块和处理模块，所述光芯片包括激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，
所述激光二极管LD与波导分束器BS的一个输入端口连接；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别与第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2相连；
所述波导分束器BS的分束比为50：50。
6.根据权利要求5所述的单光子量级的平衡探测芯片，其特征在于，所述激光二极管LD、波导分束器BS、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2集成封装在光芯片上，
所述激光二极管LD通过透镜对准耦合到波导分束器BS的一个输入端口；
所述波导分束器BS的两个输出端口分别通过透镜耦合到第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2。
7.根据权利要求5所述的单光子量级的平衡探测芯片，其特征在于，所述波导分束器BS的材料为PLC波导。
8.根据权利要求5所述的单光子量级的平衡探测芯片，其特征在于，所述第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2为InGaAs PIN管。
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