CN117249902A - 一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；通过设置斩波器截取待测光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散结构展宽后通过路径控制器和光滤波器实现实时自标定，采用待测光脉冲进行标定，保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长度完全一致；以待测光脉冲进行标定，通过至少两次调节光滤波器的中心波长，获取不同波长的光子从斩波器到单光子探测器的时间，得到待测光脉冲的波长与时间的对应关系。

Description

一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法

技术领域

本申请属于光谱测量领域，具体而言，涉及一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法。

背景技术

作为光谱分析不可或缺的工具，光谱仪被应用在生物传感、医学分析、气体传感、环境分析、石油勘探及食品质量检测等各方面。传统的高性能光谱仪通常是由分立的光学元件和机械部件构成，体积庞大、结构复杂以及造价昂贵极大限制了其应用范围。随着对光谱仪便携性和稳定性要求越来越高，其小型化和集成化已成趋势。相较于传统的大型光谱仪，小型化的光谱仪成本低、体积小、功耗低，便于现场在线监测，极大地扩展了应用范围。

对于量子光学实验中所用的光源为单光子量级，普通的光电探测器无法探测，其量子光源的光谱测量需要低噪声、低衰减、灵敏度至单光子量级的单光子光谱仪。传统的基于棱镜、光栅等空间色散原理的光谱仪可以分为扫描型和光谱图像型。扫描型光谱仪具有运动部件，只需单点探测器，但这种扫描方式对于单光子光谱探测存在衰减大的问题；光谱图像型光谱仪将所有色散光均收集探测，没有衰减大的缺点，但所需要的单光子CCD探测器成本高，且需要液氮冷却以降低噪声，尤其在1550nm附近的红外波段，没有高效率的单光子CCD探测器进行探测。

目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(TDC)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，这一要求导致这种单光子光谱仪的标定过程难度较大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，难以实用化；第二个是现有技术中光谱仪的标定需要使用外部标准光源向光谱仪输入不同波长的光子，根据单光子探测器和时间数字计数器的响应，得到光谱仪的波长-时间对应关系，而当工作场景或使用环境(如温度)发生变化时，色散波导的特性发生变化，需要根据工作环境反复多次标定，如果始终携带和使用标准光源，会增加光谱仪的使用成本和复杂度，限制单光子光谱仪的集成化。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法，通过设置斩波器截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散模块展宽后通过路径控制器和光滤波器实现标定过程，采用待测光脉冲进行标定，不需要外部标准光源且保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长短完全一致，消除了测量误差，提高了测量精度。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种单光子光谱仪，包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统；

输入耦合器用于将待测光脉冲耦合输入至斩波器，斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

色散结构与斩波器连接，用于对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器具有输入端、输出上端和输出下端，其输入端与色散结构的输出端连接，其输出上端连接第一输出耦合器，其输出下端连接光滤波器，光滤波器的输出端连接第二输出耦合器，路径控制器用于控制色散展宽脉冲从其一个输出端输出或按比例同时从两个输出端输出；光滤波器基于控制系统的调节对从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；第一输出耦合器用于将从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲耦合出射至第一单光子探测器；第二输出耦合器用于将从光滤波器输出的色散展宽脉冲耦合出射至第二单光子探测器；

第一单光子探测器与第一输出耦合器连接，第二单光子探测器与第二输出耦合器连接，且第一单光子探测器和第二单光子探测器均与时间数字转换器连接；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

控制系统分别与斩波器、光滤波器、时间数字转换器、第一单光子探测器和第二单光子探测器连接，用于调节光滤波器的中心波长和周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器以及对第一单光子探测器反馈的光子计数累计计算；

时间数字转换器用于记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔，同时将各时间间隔反馈给控制系统。

优选地，斩波器为MZ I型光开关，由第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二50:50分束器组成，相位调制器设置于干涉上臂或干涉下臂上，相位调制器基于控制系统的调制调节输入光脉冲的相位，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端和第二分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端和第二分束器的输入下端。

进一步地，第二50:50分束器的输出上端和输出下端分别连接一个色散探测模块，且两个色散探测模块中色散结构的色散系数不同，通过调节相位调制器使斩波脉冲从第二50:50分束器的输出上端传输至与之连接的色散探测模块或从第二50:50分束器的输出下端输出至另一个色散探测模块。

优选地，色散结构为色散波导或色散光纤。

优选地，光滤波器为硅基波导光栅的可调谐滤波器。

优选地，路径控制器为分束器或光开关。

进一步地，控制系统包括基于FPGA的信号发生器。

进一步地，第一单光子探测器和第二单光子探测器均工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。

第二方面，本申请公开了一种单光子光谱仪的标定方法，所述标定方法应用于上述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述标定方法包括：

控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器，以及调节光滤波器的中心波长使特定波长的光子通过；

斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出下端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

光滤波器接收从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲并基于控制系统的调节对色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；

从光滤波器输出的特定波长的光子通过第二输出耦合器耦合出射至第二单光子探测器；

第二单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中特定波长的光子信号转换为相应的电信号同时将转换的电信号传输给时间数字转换器；

时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和特定波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔；

通过控制系统再次调节光滤波器的中心波长，重复上述步骤，光滤波器使另一特定波长的光子通过，时间数字转换器再次记录此特定波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间；以此类推，至少完成两次对光滤波器中心波长的调节；

控制系统根据不同波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间不同，拟合出波长与时间的对应关系，完成标定过程。

第三方面，本申请公开了一种单光子光谱仪的测量方法，所述测量方法应用于上述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述测量方法包括：

控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器；

斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出上端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲通过第一输出耦合器耦合出射至第一单光子探测器；

第一单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算不同波长的光子对应的时间间隔；

以此类推，对待测光脉冲进行多个周期的斩波和测量后，控制系统统计在同一时间间隔下的光子累计数，获取在同一时间间隔下的光强，根据由标定过程获取的波长与时间的对应关系即获得波长与光强的对应关系，完成光谱测量。

总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本申请提供了一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；通过设置斩波器截取待测光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散结构展宽后通过路径控制器和光滤波器实现标定过程，采用待测光脉冲进行标定，保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长度完全一致，消除了因标准光和待测光传输路径不一致带来的测量误差，提高了测量精度；在路径控制器的输出下端连接光滤波器，以待测光脉冲进行标定，通过至少两次调节光滤波器的中心波长，获取不同波长的光子从斩波器到单光子探测器的时间，得到待测光脉冲的波长与时间的对应关系，在无需外部标准光源只利用待测光脉冲的情况下即可实现光谱仪的实时自标定，降低了单光子光谱仪的使用成本，提高了单光子光谱仪的使用便携性和测量稳定性；完成标定进行测量时，路径控制器调节斩波脉冲的输出路径，通过对待测光脉冲进行多个周期的斩波和色散展宽，获取在同一时间间隔下的光子累计数，基于待测光脉冲波长与时间的对应关系获取波长与光强的对应关系，完成光谱测量。

附图说明

为更清楚地说明本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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请一个实施例提供的一种单光子光谱仪的结构示意图；

图2为本申请一个实施例在标定或测量过程中各脉冲变化的示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的一种单光子光谱仪的结构示意图；

图4为本申请再一个实施例提供的一种单光子光谱仪的结构示意图；

图5为本申请另一个实施例在测量过程中各脉冲变化的示意图；

图6为本申请中MZI型光开关的结构示意图；

图7为本申请基于图6形成的一种单光子光谱仪的结构示意图；

图8为本申请再一个实施例在标定或测量过程中各脉冲变化的示意图；

图9为本申请基于图7形成的一种单光子光谱仪的结构示意图；

图10为本申请提供的一种单光子光谱仪的标定方法；

图11为本申请提供的一种单光子光谱仪的测量方法。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。

目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(TDC)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，这一要求导致这种单光子光谱仪的标定过程难度较大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，难以实用化；第二个是现有技术中光谱仪的标定需要使用外部标准光源向光谱仪输入不同波长的光子，根据单光子探测器和时间数字计数器的响应，得到光谱仪的波长-时间对应关系，而当工作场景或使用环境(如温度)发生变化时，色散波导的特性发生变化，需要根据工作环境反复多次标定，如果始终携带和使用标准光源，会增加光谱仪的使用成本和复杂度，限制单光子光谱仪的集成化。

基于此，本申请提供一种单光子光谱仪，如图1所示，包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，具体地色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器。

输入耦合器用于将待测光脉冲耦合输入至斩波器，斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲。

输入耦合器为边缘耦合器、光栅耦合器或光纤耦合器中的一种。当斩波器、色散结构、路径控制器和光滤波器为片上结构时，选择输入耦合器为光栅耦合器或边缘耦合器，完成待测光脉冲的输入耦合；当斩波器、色散结构、路径控制器和光滤波器为光纤器件时，选择输入耦合器为光纤耦合器。

斩波器基于控制系统输出的斩波电信号对输入的待测光脉冲进行斩波调制，形成特定时域宽度的斩波脉冲。这里需要注意的是，可以通过调制控制系统输出的斩波电信号的周期使斩波电信号的周期数倍于待测光脉冲的周期，如图2所示，以保证对待测光脉冲进行有效斩波，图2中所示斩波电信号的周期是待测光脉冲周期的2倍。此外斩波电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免相邻斩波脉冲展宽后重叠，以提高光谱测量的准确性和稳定性。

色散结构与斩波器连接，用于对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开。

色散结构对斩波脉冲色散展宽，其原理为：由于存在群速度色散效应，不同波长的光子以不同的群速度传播，也即是不同波长的光子在色散结构上的传播速度不同，因此不同波长的光子在通过色散结构后在时域上分开。优选地色散结构为色散波导或色散光纤。色散波导可选用啁啾色散波导延时线或纳米槽型波导，其材料可以是二氧化硅、硅或铟磷基光波导材料。

路径控制器具有输入端、输出上端和输出下端，其输入端与色散结构的输出端连接，其输出上端连接第一输出耦合器，其输出下端连接光滤波器，光滤波器的输出端连接第二输出耦合器，路径控制器用于控制色散展宽脉冲从其一个输出端输出或按比例同时从两个输出端输出；光滤波器基于控制系统的调节对从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；第一输出耦合器用于将从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲耦合出射至第一单光子探测器；第二输出耦合器用于将从光滤波器输出的特定波长的光子耦合出射至第二单光子探测器。

在本申请中路径控制器为分束器或光开光。在一个实施例中，路径控制器为分束器，如图3所示，从色散结构输出的色散展宽脉冲从分束器的一个输入端输入，若分束器为50:50分束器，则色散展宽脉冲的能量被平均分割为两部分，一部分从输出上端输出至第一输出耦合器，另一部分从输出下端输出至光滤波器。从分束器输出上端输出的色散展宽脉冲用于光谱测量，在标定过程中可以不进行探测；从分束器输出下端输出的色散展宽脉冲用于标定过程，在测量过程中可以不进行探测。

在另一个实施例中，路径控制器为光开关，当斩波器、色散结构和光滤波器为片上结构时，光开关可以为MZ干涉仪，如图4所示，在进行标定时，通过调节MZ干涉仪，使从色散结构输出的色散展宽脉冲全部从其输出下端输入至光滤波器，用于波长的标定；在测量时，再次调节MZ干涉仪使从色散结构输出的色散展宽脉冲全部从其输出上端输入至第一输出耦合器进行光谱探测。当斩波器、色散结构和光滤波器为光纤器件时，光开关即为传统的光纤光开关，通过控制器光纤光开关的状态实现光传输路径的切换。同样地，在进行标定时，光纤光开关与光滤波器连通，使从色散结构输出的色散展宽脉冲全部输入至光滤波器，用于波长的标定；在测量时，光纤光开关与第一输出耦合器连通，使从色散结构输出的色散展宽脉冲全部输入至第一输出耦合器进行光谱探测。

基于上述内容可知，路径控制器为分束器时，无论在标定过程还是测量过程，色散展宽脉冲均被分割，标定过程和测量过程探测到的脉冲能量被削弱。路径控制器为光开关时，在标定过程中色散展宽脉冲全部用于标定，在测量过程中色散展宽脉冲全部用于测量。由于待测光脉冲通常为量子光源或单光子级别的弱光源，因此优选路径控制器为光开关，以提高光谱测量结果的精度和准确性。

光滤波器用于对输入的色散展宽脉冲进行过滤，通过调制使特定波长范围内的光子可以透过光滤波器，而其它波长的光子不能透过滤波器被截止。光滤波器可以为硅基波导光栅的可调谐滤波器，其目标光谱的带宽和中心波长都是可独立调谐的。当宽带光谱输入至可调谐滤波器，通过调节可调谐滤波器的中心波长只允许以该中心波长为中心的窄带光谱的光通过而截止其它波长的光。

第一单光子探测器与第一输出耦合器连接，第二单光子探测器与第二输出耦合器连接，且第一单光子探测器和第二单光子探测器均与时间数字转换器连接；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统。

同样地，第一输出耦合器和第二输出耦合器均为边缘耦合器、光栅耦合器或光纤耦合器中的一种，用于将输入其上的色散展宽脉冲耦合出射至相对应的单光子探测器上。

在本申请中，第一单光子探测器和第二单光子探测器优选为单光子雪崩二极管，单光子雪崩二极管可以探测光的单个粒子，能够检测弱强度信号，探测时间精度达到皮秒量级，其具有两种工作模式，分别为自由运行模式和门控模式。在本申请中，单光子雪崩二极管工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测，以减小门控模式下对色散展宽脉冲的衰减。

当路径控制器为分束器，在进行标定工作时，从分束器输出上端输出的色散展宽脉冲可被视为无效输出，因此可忽略第一单光子探测器探测到的数据；完成标定进行测量时，从分束器输出下端输出的色散展宽脉冲被视为无效输出，因此可忽略第二单光子探测器探测到的数据。

在进行标定时，第二单光子探测器通过第二输出耦合器接收经过滤波后的色散展宽脉冲并将接收的色散展宽脉冲中特定波长的光子信号转换为相应的电信号同时将转换的电信号传输给时间数字转换器。

由于每个待测光脉冲包含的光子波长不一定相同，为了提高标定的准确性，在进行标定时，可以设置多个标定时间窗口，每个标定时间窗口包含多个周期的待测光脉冲，且对应光滤波器的一个中心波长，基于光滤波器的每个中心波长，完成一个标定时间窗口内待测光脉冲的标定。

为了便于理解，这里举例说明。假设在进行标定时，对光滤波器的中心波长调谐4次(至少两次)，每次调谐的中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃和λ₄，每个标定时间窗口对应一个中心波长，则相对应的设置4个标定时间窗口，分别为第一标定时间窗口、第二标定时间窗口、第三标定时间窗口和第四标定时间窗口。当光滤波器的中心波长为λ₁时，第一标定时间窗口中的多个光脉冲经过斩波、色散后从光滤波器输出的光脉冲是以λ₁中心波长为中心的窄带光谱的光，其它波长的光截止。当光滤波器的中心波长为λ₂时，第二标定时间窗口中的多个光脉冲经过斩波、色散后从光滤波器输出的光脉冲是以λ₂中心波长为中心的窄带光谱的光，其它波长的光截止。以此类型，这里不再一一详述，因此获得不同波长的光子从斩波器到第二单光子探测器所对应的时间。

在进行测量时，第一单光子探测器通过第一输出耦合器接收从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲器并将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统。

由于每个待测光脉冲包含的光子波长不一定相同，在进行光谱测量时，不同波长的光子从斩波器到第一单光子探测器的时间不同，不同时间对应的光子累计数不同，而光强由光子累计数体现，也即是不同时间对应的光强不同，获取时间与光强的对应关系。

控制系统分别与斩波器、光滤波器、时间数字转换器、第一单光子探测器和第二单光子探测器连接，用于调节光滤波器的中心波长和周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器以及对第一单光子探测器反馈的光子计数累计计算。

时间数字转换器用于记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔，同时将各时间间隔反馈给控制系统。

控制系统可以为上位机或处理器芯片，具体地控制系统包括基于FPGA的信号发生器，斩波电信号由基于FPGA的信号发生器输出并同时传输给斩波器和时间数字转换器，斩波器基于斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲，时间数字转换器记录斩波电信号的时序，也即是记录斩波器形成每个斩波脉冲的时间，此时间作为时间数字转换器的开始计时信号。第一单光子探测器或第二单光子探测器将不同波长的光子信号转换为相应电信号，相应电信号传输至时间数字转换器作为时间数字转换器的停止计时信号，因此时间数字转换器可以精确测量同一斩波脉冲中不同波长的光子从开始计时信号到停止计时信号的时间间隔。在进行测量时，获取多个不同的时间间隔，而每个时间间隔对应一个光子累计数，光强由光子累计数体现，由标定获取的波长与时间的对应关系可知，每个时间间隔对应一个波长，也即是获得波长与光强的对应关系。

假设进行测量时输入8个周期的待测光脉冲，斩波电信号的周期是待测光脉冲周期的2倍，如图5所示，则形成4个周期的斩波脉冲，经过色散结构后，也即形成4个周期的色散展宽脉冲，每个色散展宽脉冲中包含不同波长的光子，而不同波长的光子其对应的计时时间间隔也不同，相同时间间隔的光子计数在控制系统上进行累计，获得每个时间间隔对应的光子累计数，也即获得光强与时间的对应关系。

在本申请的一个实施例中，斩波器为MZI型光开关，如图6所示，由第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二50:50分束器组成，相位调制器设置于干涉上臂或干涉下臂上，相位调制器基于控制系统的调制调节输入光脉冲的相位，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端和第二分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端和第二分束器的输入下端。

具体地，第一50:50分束器的输入上端或输入下端与输入耦合器连接，第二50:50分束器的输出上端或输出下端连接色散结构。为了便于解释，这里设定输入耦合器与第一50:50分束器的输入下端连接，色散结构与第二50:50分束器的输出下端连接，第一50:50分束器的输入上端为无效输入端口，第二50:50分束器的输出上端为无效输出端口，如图7所示。

当驱动脉冲电信号的脉冲宽度小于待测光源输出光脉冲的宽度时，参见图2，通过调整相位调制器，使进入MZI型光开关中的待测光脉冲(如第二待测光脉冲、第四待测光脉冲)的一部分从第二50:50分束器的输出下端输出，也即是获取的斩波脉冲从第二50:50分束器的输出下端传输至色散结构中，第二待测光脉冲和第四待测光脉冲的其它部分从第二50:50分束器的输出上端输出，第一待测光脉冲和第三待测光脉冲也同样从第二50:50分束器的输出上端输出，从第二50:50分束器输出上端输出的脉冲为无效输出脉冲。总结而言，相位调制器对单个光脉冲的调制时间段与斩波电信号的脉冲时域宽度一致，相位调制器的调制周期与截取光脉冲的周期一致。

当斩波电信号的脉冲宽度大于待测光脉冲的宽度时，如图8所示，通过调整相位调制器，使第二待测光脉冲和第四待测光脉冲从第二50:50分束器的输出下端输出，第一待测光脉冲和第三待测光脉冲从第二50:50分束器的输出上端输出，以此类推，达到获取斩波脉冲的目的。

在本申请的另一个实施例中，如图9所示，第二50:50分束器的输出上端和输出下端分别连接一个色散探测模块，且两个色散探测模块中色散结构的色散系数不同，通过调节相位调制器使斩波脉冲从第二50:50分束器的输出上端传输至与之连接的色散探测模块或从第二50:50分束器的输出下端输出至另一个色散探测模块。

这里需要注意的是，两个色散探测模块，除了其包括的色散结构的色散系数不同之外，其他元器件以及各元器件之间的连接关系完全相同。色散结构的色散系数不同，对同一斩波脉冲的展宽程度也不一样，因此最终获取的波长与时间的对应关系也不同。两个色散探测模块不同时工作，具体地，由上述MZ I型光开关的斩波原理可知，当斩波脉冲从第二50:50分束器输出下端输入至与之连接的色散探测模块时，则未被截取成为斩波脉冲的其余脉冲从第二50:50分束器的输出上端输入至与之连接的色散探测模块，从第二50:50分束器输出上端输出的脉冲为无效输出脉冲，因此可忽略与第二50:50分束器输出上端连接的色散探测模块探测到的数据。同样地，当斩波脉冲从第二50:50分束器输出上端输入至与之连接的色散探测模块时，则未被截取成为斩波脉冲的其余脉冲从第二50:50分束器的输出下端输入至与之连接的色散探测模块，可忽略与第二50:50分束器输出下端连接的色散探测模块探测到的数据。

当待测光脉冲的波长范围(频谱)较大时，若采用色散系统较大的色散结构进行展宽，则可能出现相邻色散展宽脉冲交叠的情况，影响测量准确度，因此需要将斩波脉冲输出至色散系数较小的色散结构上，使色散展宽脉冲的时间宽度小于斩波周期，以保证相邻色散展宽脉冲不交叠。

基于前述内容可知，在标定和测量两个过程中，均采用的是待测光脉冲，保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长度完全一致，消除了因标准光和待测光传输路径不一致带来的测量误差，提高了测量精度。在路径控制器的输出下端连接光滤波器，以待测光脉冲进行标定，通过至少两次调节光滤波器的中心波长，获取不同波长的光子从斩波器到单光子探测器的时间，得到待测光脉冲的波长与时间的对应关系，在无需外部标准光源只利用待测光脉冲的情况下即可实现光谱仪的实时自标定，降低了单光子光谱仪的使用成本，提高了单光子光谱仪的使用便携性和测量稳定性。

针对本申请提供的一种单光子光谱仪，本申请还对应提供一种单光子光谱仪的标定方法，如图10所示，所述标定方法包括：

S10：控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器，以及调节光滤波器的中心波长使特定波长的光子通过。

在进行标定时，设置多个标定时间窗口，每个标定时间窗口对应光滤波器的一个中心波长，每个标定时间窗口内输入多个周期的待测光脉冲，可以通过调制控制系统输出的斩波电信号的周期，使斩波电信号的周期数倍于待测光脉冲的周期。

S11：斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲。

斩波器基于斩波电信号截取待测光脉冲的一部分或者全部形成具体特定时域宽度的斩波脉冲。当斩波电信号的脉冲宽度小于待测光脉冲的宽度时，斩波器截取待测光脉冲的一部分形成斩波脉冲；当斩波电信号的脉冲宽度大于待测光脉冲的宽度时，斩波器截取待测光脉冲的全部形成斩波脉冲，此状态下，截取的斩波脉冲宽度即为待测光脉冲的宽度。

S12：色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开。

不同波长的光子在色散结构上的传播速度不同，因此不同波长的光子在通过色散结构后在时域上分开。

S13：路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出下端输出或按比例同时从其两个输出端输出。

路径控制器具有两个输出端，为分束器或光开关，当路径控制器为分束器时，色散展宽脉冲根据分束比被分割为两部分，一部分从输出上端输出(无效输出)，另一部分从输出下端输出至光滤波器；当路径控制器为光开关时，通过调节光开关使色散展宽脉冲全部从其输出下端输出至光滤波器。

S14：光滤波器接收从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲并基于控制系统的调节对色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过。

光滤波器对输入的色散展宽脉冲进行过滤，在不同的标定时间窗口，光滤波器的中心波长不同，光滤波器只允许以其中心波长为中心的窄带光谱的光通过而截止其它波长的光。

S15：从光滤波器输出的特定波长的光子通过第二输出耦合器耦合出射至第二单光子探测器。

S16：第二单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中特定波长的光子信号转换为相应的电信号同时将转换的电信号传输给时间数字转换器。

S17：时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和特定波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。

时间数字转换器记录斩波电信号的时序，也即是记录斩波器形成每个斩波脉冲的时间，此时间作为时间数字转换器的开始计时信号。第二单光子探测器将接收的光子信号转换为相应电信号，相应电信号传输至时间数字转换器作为时间数字转换器的停止计时信号，且时间数字转换器精确测量从开始计时信号到停止计时信号的时间间隔。对于同一斩波脉冲的不同波长的光子，开始计时的时间均一样，而基于光滤波器的作用，只有与其中心波长相对应的特定波长光子才能通过滤波器到达第二单光子探测器，因此可获得与中心波长相对应的特定波长光子的时间间隔。

S18：通过控制系统再次调节光滤波器的中心波长，重复上述步骤，光滤波器使另一特定波长的光子通过，时间数字转换器再次记录此特定波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间；以此类推，至少完成两次对光滤波器中心波长的调节。

光滤波器的中心波长不同，通过光滤波器的光子也不同，因此每调节一次光滤波器的中心波长，可获取与中心波长相对应的特定波长的光子的时间间隔。多次调节光滤波器的中心波长，因此获得不同波长的光子从斩波器到第二单光子探测器所对应的时间。

S19：控制系统根据不同波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间不同，拟合出波长与时间的对应关系，完成标定过程。

针对本申请提供的一种单光子光谱仪，本申请还对应提供一种单光子光谱仪的测量方法，如图11所示，所述测量方法包括：

S20：控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器。

S21：斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲。

S22：色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开。

S23：路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出上端输出或按比例同时从其两个输出端输出。

S24：从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲通过第一输出耦合器耦合出射至第一单光子探测器。

S25：第一单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统。

S26：时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算不同波长的光子对应的时间间隔。

在一个色散展宽脉冲中不同波长的光子其开始计时时间均相同，但不同波长的光子到达第一单光子探测器的时间各不相同，因此不同波长的光子其时间间隔各不相同。

S27：以此类推，对待测光脉冲进行多个周期的斩波和测量后，控制系统统计在同一时间间隔下的光子累计数，获取在同一时间间隔下的光强，根据由标定过程获取的波长与时间的对应关系即获得波长与光强的对应关系，完成光谱测量。

每个周期的色散展宽脉冲所包含的光子其波长不一定相同，在进行测量时，不同波长的光子从斩波器到第一单光子探测器的时间不同，对待测光脉冲进行多个周期的斩波和探测后，可获取不同时间(间隔)对应的光子累计数，而光强由光子累计数体现，也即是不同时间对应的光强不同，获取时间与光强的对应关系，再根据标定过程获取的波长与时间的对应关系可获得波长与光强的对应关系，完成光谱测量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单光子光谱仪，其特征在于，包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统；

输入耦合器用于将待测光脉冲耦合输入至斩波器，斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

色散结构与斩波器连接，用于对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器具有输入端、输出上端和输出下端，其输入端与色散结构的输出端连接，其输出上端连接第一输出耦合器，其输出下端连接光滤波器，光滤波器的输出端连接第二输出耦合器，路径控制器用于控制色散展宽脉冲从其一个输出端输出或按比例同时从两个输出端输出；光滤波器基于控制系统的调节对从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；第一输出耦合器用于将从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲耦合出射至第一单光子探测器；第二输出耦合器用于将从光滤波器输出的特定波长的光子耦合出射至第二单光子探测器；

第一单光子探测器与第一输出耦合器连接，第二单光子探测器与第二输出耦合器连接，且第一单光子探测器和第二单光子探测器均与时间数字转换器连接；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

控制系统分别与斩波器、光滤波器、时间数字转换器、第一单光子探测器和第二单光子探测器连接，用于调节光滤波器的中心波长和周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器以及对第一单光子探测器反馈的光子计数累计计算；

时间数字转换器用于记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔，同时将各时间间隔反馈给控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，斩波器为MZI型光开关，由第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二50:50分束器组成，相位调制器设置于干涉上臂或干涉下臂上，相位调制器基于控制系统的调制调节输入光脉冲的相位，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端和第二分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端和第二分束器的输入下端。

3.根据权利要求2所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，第二50:50分束器的输出上端和输出下端分别连接一个色散探测模块，且两个色散探测模块中色散结构的色散系数不同，通过调节相位调制器使斩波脉冲从第二50:50分束器的输出上端传输至与之连接的色散探测模块或从第二50:50分束器的输出下端输出至另一个色散探测模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，色散结构为色散波导或色散光纤。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，光滤波器为硅基波导光栅的可调谐滤波器。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，路径控制器为分束器或光开关。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，控制系统包括基于FPGA的信号发生器。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种单光子光谱仪，其特征在于，第一单光子探测器和第二单光子探测器均工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。

9.一种单光子光谱仪的标定方法，其特征在于，所述标定方法应用于权利要求1-8任一项所述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述标定方法包括：

控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器，以及调节光滤波器的中心波长使特定波长的光子通过；

斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出下端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

光滤波器接收从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲并基于控制系统的调节对色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；

从光滤波器输出的特定波长的光子通过第二输出耦合器耦合出射至第二单光子探测器；

第二单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中特定波长的光子信号转换为相应的电信号同时将转换的电信号传输给时间数字转换器；

时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和特定波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔；

通过控制系统再次调节光滤波器的中心波长，重复上述步骤，光滤波器使另一特定波长的光子通过，时间数字转换器再次记录此特定波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间；以此类推，至少完成两次对光滤波器中心波长的调节；

控制系统根据不同波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间不同，拟合出波长与时间的对应关系，完成标定过程。

10.一种单光子光谱仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于权利要求1-8任一项所述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述测量方法包括：

控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器；

斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出上端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲通过第一输出耦合器耦合出射至第一单光子探测器；

第一单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算不同波长的光子对应的时间间隔；

以此类推，对待测光脉冲进行多个周期的斩波和测量后，控制系统统计在同一时间间隔下的光子累计数，获取在同一时间间隔下的光强，根据由标定过程获取的波长与时间的对应关系即获得波长与光强的对应关系，完成光谱测量。