CN117367578A - 一种光子数分辨探测器及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光子数分辨探测器及其探测方法，包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块。N个波导分束器依次相连，待测光脉冲输入至第一个波导分束器后依次输入至各个波导分束器，同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将结果反馈给控制模块，控制模块统计每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，控制模块根据每个循环中的计数总和是否为零控制循环是否结束，待循环结束，控制模块累计各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，完成对待测光脉冲的光子数分辨。

Description

一种光子数分辨探测器及其探测方法

技术领域

本申请属于光子探测技术领域，具体而言，涉及一种光子数分辨探测器及其探测方法。

背景技术

光子数分辨探测器是波色采样量子计算机的核心组件之一，在量子信息其它领域也具有重要作用，是量子信息研究中重要的实验仪器。单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够对单个光子进行探测和计数。然而多数单光子探测器不具备光子数分辨能力，它们的输出只有0（没有光子）和1（有光子）两种状态。当一个或多个光子入射到探测器上时，探测器的输出电压就会饱和，无法分辨具体的入射光子数，然而，很多常见的光量子态均包含多个光子，因此制备具有大规模光子数分辨能力的高性能探测器是量子信息领域的重要研究方向。

目前能直接实现光子数分辨的探测器有超导转变边缘感应器（TES）和微波动态电感探测器（MKID），但成本高昂、探测的光子计数率低、时间抖动大而且需要在极低温环境（mK量级）下工作。此外，还可通过在成本低廉的阈值单光子探测器（如可见光波段的硅基单光子探测器、红外波段的InGaAs雪崩单光子探测器等）前置分束器阵列的方式实现光子数分辨，但这种方法只能概率性地实现光子数分辨，并且需要的探测器数量多，导致体积大、成本高。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种光子数分辨探测器及其探测方法，利用循环波导和可调控分束器实现光脉冲的循环和各第一单光子探测器的复用且通过分析每次循环中各第一单光子探测器的计数之和是否为零判断是否继续循环，降低循环次数和循环时间。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种光子数分辨探测器，包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块；

N个波导分束器依次相连，波导分束器和可调控分束器均具有两个输入端和两个输出端，前一个波导分束器的输出上端与下一个波导分束器的输入上端连接，每个波导分束器的输出下端相应连接一个第一单光子探测器，第N个波导分束器的输出上端与可调控分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出上端通过循环波导与第一个波导分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出下端连接第二单光子探测器，可调控分束器、第二单光子探测器和所有第一单光子探测器均与控制模块连接；波导分束器用于对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；可调控分束器基于控制模块的控制将接收的光脉冲全部从其输出上端输出或全部从其输出下端输出；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的光脉冲信号转换为相应的电信号并获取光子计数；控制模块基于每个循环过程中各第一单光子探测器反馈的光子计数控制可调控分束器的分束比并分析获取光子总数；

其中，N为正整数且，式中[ ]符号表示取整，n为预设的光子数分辨探测器可测的最大光子数量，t为光脉冲循环一次所需的时间，T为待测光脉冲的周期，光脉冲循环一次的过程为光脉冲从第一个波导分束器依次输入到第N个波导分束器并从可调控分束器输出经过循环波导传输至第一个波导分束器的过程。

进一步地，光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。

优选地，所述波导分束器为固定分束比分束器或可调控分束器；

当波导分束器为固定分束比分束器时，波导分束器的分束比均为（n-1）:1；

当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-1）:1，在第二循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-N-1）:1，在第三循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-2N-1）:1，以此类推，在第M循环过程中调控各波导分束器的分束比均为[n-（M-1）×N-1]:1，其中；

或当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-2）:1，依次类推，第N个波导分束器的分束比为（n-N）:1；在第二循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-N-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-N-2）:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为（n-2N）:1；以此类推，在第M循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-1]:1，第二个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-2]:1，第三个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-3]:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为，其中/>。

优选地，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。

优选地，所述控制模块为上位机。

优选地，所述斩波器为MZI型光开关或铌酸锂强度调制器。

优选地，所述可调控分束器为MZ干涉仪。

第二方面，本申请公开了一种光子数分辨探测器的探测方法，所述方法应用于上述的光子数分辨探测器，所述光子数分辨探测器包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块，所述方法包括：

待测光脉冲输入至第一个波导分束器开始第一循环过程，光脉冲依次输入至各个波导分束器，各波导分束器对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块；

控制模块统计第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，若计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，此计数结果即为待测光脉冲的光子数量；若第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和不为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器开始第二循环过程，重复第一循环的探测过程，直至在某一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，控制模块累加各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，累加总和即为待测光脉冲的光子数量；若经过第循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则在第/>循环过程中，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测。

进一步地，当光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器时，所述方法还包括：

控制模块周期性输出斩波电信号并将斩波电信号传输给斩波器；

斩波器基于斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器，然后开始对斩波脉冲的循环探测。

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：

本申请提供了一种光子数分辨探测器及其探测方法，光子数分辨探测器包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块。待测光脉冲输入至第一个波导分束器后依次输入至各个波导分束器，同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，控制模块统计每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，若计数总和为零，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，结束循环；若不为零则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器继续循环直至在一个循环中各单光子探测器的计数之和为零，待循环结束后，控制模块累计各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，累加总和即为待测光脉冲的光子数量，完成对待测光脉冲的光子数分辨。且若经过循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，本申请在第/>循环过程中控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测，以避免对下一周期光脉冲的光子探测产生干扰；本申请利用循环波导和可调控分束器实现光脉冲的循环和各单光子探测器的复用，减少了探测器的数量且通过分析每次循环中各单光子探测器的计数之和是否为零判断是否继续循环，降低循环次数和循环时间，提升实用性的同时缩小了整个系统的体积且节省了成本。

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为本申请实施例提供的一种光子数分辨探测器的结构示意图；

图2为本申请中MZ干涉仪的结构示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的一种光子数分辨探测器的结构示意图；

图4为本申请一个实施例中斩波电信号以及各脉冲变化的示意图；

图5为基于图2和图3形成的一种光子数分辨探测器的结构示意图；

图6为本申请中铌酸锂强度调制器的结构示意图。

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。

单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够对单个光子进行探测和计数。然而多数单光子探测器不具备光子数分辨能力，它们的输出只有0（没有光子）和1（有光子）两种状态。当一个或多个光子入射到探测器上时，探测器的输出电压就会饱和，无法分辨具体的入射光子数，然而，很多常见的光量子态均包含多个光子。目前能直接实现光子数分辨的探测器有超导转变边缘感应器（TES）和微波动态电感探测器（MKID），但成本高昂、探测的光子计数率低、时间抖动大而且需要在极低温环境（mK量级）下工作。此外，还可通过在成本低廉的阈值单光子探测器（如可见光波段的硅基单光子探测器、红外波段的InGaAs雪崩单光子探测器等）前置分束器阵列的方式实现光子数分辨，但这种方法只能概率性地实现光子数分辨，并且需要的探测器数量多，导致体积大、成本高。

基于此，本申请提供一种光子数分辨探测器，如图1所示，包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块。

N个波导分束器依次相连，波导分束器和可调控分束器均具有两个输入端和两个输出端，前一个波导分束器的输出上端与下一个波导分束器的输入上端连接，每个波导分束器的输出下端相应连接一个第一单光子探测器，第N个波导分束器的输出上端与可调控分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出上端通过循环波导与第一个波导分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出下端连接第二单光子探测器，可调控分束器、第二单光子探测器和所有第一单光子探测器均与控制模块连接；波导分束器用于对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；可调控分束器基于控制模块的控制将接收的光脉冲全部从其输出上端输出或全部从其输出下端输出；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的光脉冲信号转换为相应的电信号并获取光子计数；控制模块基于每个循环过程中各第一单光子探测器反馈的光子计数控制可调控分束器的分束比并分析获取光子总数。

其中，N为正整数且，式中[ ]符号表示取整，n为预设的光子数分辨探测器可测的最大光子数量，t为光脉冲循环一次所需的时间，T为待测光脉冲的周期，光脉冲循环一次的过程为光脉冲从第一个波导分束器依次输入到第N个波导分束器并从可调控分束器输出经过循环波导传输至第一个波导分束器的过程。

为了避免当前光脉冲的循环探测过程还未结束，下一周期的光脉冲已输入至第一个波导分束器，造成前后两个周期的光脉冲交叠干扰，因此在本申请中需要满足：循环次数×循环周期≤待测光脉冲周期。设置n为预设的光子数分辨探测器可测的最大光子数量，T为待测光脉冲的周期，t为光脉冲循环一次所需的时间也即是循环周期，光脉冲循环一次的过程为光脉冲从第一个波导分束器依次输入到第N个波导分束器并从可调控分束器输出经过循环波导传输至第一个波导分束器的过程。基于循环次数×循环周期≤待测光脉冲周期，则，式中[ ]符号表示取整，为了更加利于光脉冲在循环过程中进入到第一单光子探测器被探测到，则取/>，由此公式可知，本申请波导分束器设置的数量由待测光脉冲周期、预设可测的最大光子数量和光脉冲循环一次所需的时间共同决定，当待测光脉冲周期T远大于循环周期t时，设置一个波导分束器即可完成光子数分辨探测。

在本申请中，波导分束器和可调控分束器均具有两个输入端和两个输出端。N个波导分束器依次相连。具体的，对于第一个波导分束器，其输入下端用于输入待测光脉冲，其输入上端与可调控分束器的输出上端通过循环波导连接，其输出上端与第二个波导分束器的输入上端连接，其输出下端与一个第一单光子探测器连接，对于第二个波导分束器至第N-1个波导分束器，输入上端与前一个波导分束器的输出上端连接，输入下端为无效输入端，输出上端与下一个波导分束器的输入上端连接，输出下端与一个第一单光子探测器连接；对于第N个波导分束器，其输出上端与可调控分束器的输入上端连接；对于可调控分束器，其输入下端为无效输入端，其输出上端与第一个波导分束器的输入上端通过循环波导连接，其输出下端与第二单光子探测器连接，且可调控分束器与控制模块连接，基于控制模块的控制将接收的光脉冲全部从其输出上端输出或全部从其输出下端输出，具体地，控制模块根据每个循环过程中各第一单光子探测器反馈的光子计数控制可调控分束器的分束比。若在一个循环过程中，各第一单光子探测器反馈的光子计数总和不为零，控制模块控制可调控分束器使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器开始下一次循环过程；若在一个循环过程中，各第一单光子探测器反馈的光子计数总和为零，控制模块控制可调控分束器使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，结束循环，避免噪声光子带来的暗计数影响，提高探测的准确性。这里需要注意的是，若经过循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则在第/>循环过程中，无论此过程各第一单光子探测器的计数总和是否为零，控制模块均调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测，以避免对下一周期光脉冲的光子探测产生交叠干扰。

本申请中的波导分束器可以为固定分束比分束器，也可以为可调控分束器。

当波导分束器为固定分束比分束器时，波导分束器的分束比均为（n-1）:1。但是当波导分束器为固定分束比分束器且分束比均为（n-1）:1时，会存在在后续的循环过程中，没有光子输入至某些第一单光子探测器，后一循环过程中光子输入至一个第一单光子探测器的概率均比前一个循环过程中光子输入至第一单光子探测器的概率更小，因此会导致循环次数以及总循环时间变长。本申请中波导分束器的分束比为从波导分束器的输出上端输出的光能量/从波导分束器的输出下端输出的光能量。

为了减少循环次数和循环的总时长，可以设置波导分束器为可调控分束器。

当波导分束器为可调控分束器，在本申请的一个实施例中，设置在一个循环中各波导分束器的分束比均相同，不同循环中各波导分束器的分束比不同。具体地，在第一循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-1）:1，在第二循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-N-1）:1，在第三循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-2N-1）:1，以此类推，在第M循环过程中调控各波导分束器的分束比均为[n-（M-1）×N-1]:1，其中。

这里需要提醒的是，为了保证测量的有效性和准确性，以防在第循环过程中，各第一单光子探测器的计数总和均不为零而需要继续循环，则需要设置第/>循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比。为了简化调控过程，第/>循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比均可以设置为（N-1）:1，当然也可以均设置为（N-2）:1；或者第/>循环过程中各波导分束器的分束比均可以设置为（N-1）:1，第/>循环过程中各波导分束器的分束比均可以设置为（N-2）:1等，在本申请中，不对第/>循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比做限定，只要设置合理即可。

为了便于理解，这里举例说明。假设本申请可测的最大光子数量n设置为100，也即是光子数分辨探测器对光脉冲可测的最大光子数为100，若光脉冲中超过100个光子，在第循环过程中会被强制结束停止探测。设置波导分束器的个数N为10，在此实施例下，在第一循环过程中调控各波导分束器的分束比均为99:1，在第二循环过程中调控各波导分束器的分束比均为89:1，在第三循环过程中调控各波导分束器的分束比均为79:1，在第四循环过程中调控各波导分束器的分束比均为69:1，以此类推，在第十循环过程中调控各波导分束器的分束比均为9:1。以防在第十循环过程中，各第一单光子探测器的计数总和均不为零而需要继续循环，则需要设置第十一循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比，各波导分束器的分束比可以均相同，均设置为9:1。

假设待测光脉冲的光子数量少于100个，如为75个，波导分束器的数量为10个，若在第九循环中各第一单光子探测器的计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器；若经过10次循环后，10次循环中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则需要继续循环，第十一循环过程至第循环过程中各波导分束器的分束比可以均设置为9:1，可能会在第十一循环过程或第十二循环过程或其它循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器。如若在第/>循环过程中各第一单光子探测器的计数总和仍不为零，则无论第/>循环过程中各第一单光子探测器的计数总和是否为零，控制模块均调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，强制结束循环停止探测，以免对下一个光脉冲的探测产生干扰。

当波导分束器为可调控分束器，在本申请的另一个实施例中，设置在一个循环中各波导分束器的分束比均不相同。具体地，在第一循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-2）:1，依次类推，第N个波导分束器的分束比为（n-N）:1；在第二循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-N-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-N-2）:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为（n-2N）:1；以此类推，在第M循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-1]:1，第二个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-2]:1，第三个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-3]:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为，其中/>。

为了便于理解，这里举例说明。假设本申请可测的最大光子数量n设置为100，也即是光子数分辨探测器对光脉冲可测的最大光子数为100，若光脉冲中超过100个光子，在第循环过程中会被强制结束停止探测。设置波导分束器的个数N为10，在此实施例下，在第一循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为99:1、第二个波导分束器的分束比为98:1，依次类推，第十个波导分束器的分束比为90:1；在第二循环过程中，调控第一个波导分束器的分束比为89:1、第二个波导分束器的分束比为88:1，依次类推，第十个波导分束器的分束比为90:1；以此类推，在第十循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为9:1、第二个波导分束器的分束比为8:1……第十个波导分束器的分束比为0:1，此种情况下不需要再设置后续循环过程中各波导分束器的分束比，因为在第十循环过程中第十个波导分束器的分束比为0:1，也即是该波导分束器将接收的光脉冲全部输入至与之连接的第一单光子探测器，不再进行后续循环，探测结束。

上述举例为是整数，当/>不为整数，如可测的最大光子数量n设置为100，波导分束器的个数N为9时，在第十一循环过程中第九个波导分束器的分束比为1:1。为了保证测量的有效性和准确性，以防在第十一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零而需要继续循环，则需要调控第十二循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比。为了简化调控过程，第十二循环过程至第/>循环过程中各波导分束器的分束比均可以设置为1:1，当然也可以设置为其它数值，本申请不做具体限定。

同样假设待测光脉冲的光子数量少于100个，如为75个，波导分束器的数量设置为9个，若在第十循环中各第一单光子探测器的计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，结束循环；若经过11次循环后，11次循环中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则需要继续循环，第十二循环过程至第循环过程中各波导分束器的分束比可以均设置为1:1，可能会在第十二循环过程或第十三循环过程或其它循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，结束循环。如若在第/>循环过程中各第一单光子探测器的计数总和仍不为零，则无论第/>循环过程中各第一单光子探测器的计数总和是否为零，控制模块均调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，强制结束循环停止探测，以免对下一个光脉冲的探测产生干扰。

在本申请中，第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。控制模块为上位机，上位机上集成有处理器芯片。可调控分束器可采用MZ干涉仪。

具体地，MZ干涉仪包括第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、第二50:50分束器和相位调制器，如图2所示，干涉上臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出上端口和第二50:50分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一50:50分束器的输出下端口和第二50:50分束器的输入下端口，相位调制器设置在干涉上臂或干涉下臂上。

相位调制器用于根据实现不同的分束比调节入射其上的光子的相位。相位调制器优选为热光相位调制器，通过调制外加电流的方式直接加热光波导以改变温度从而改变光波导有效折射率，实现改变输入其上的光子或光脉冲的相位，从而改变输出的光强的变化，达到可调分束的目的。相位调制器通过经典控制信号对各循环过程的光子相位进行调节达到对不同循环过程的光脉冲实现相应的分束比，外置经典控制信号由控制模块输出。具体地，各个循环过程中MZ干涉仪的分束比可以在上位机上进行设定，经过分析处理输出经典控制信号对MZ干涉仪上的相位调制器相应调制，实现对不同过程中的光脉冲按照预设分束比相应分束。

上述实施例探测的对象为周期性光脉冲，无法对连续光进行探测，此外若待测光脉冲的周期小也不利于探测，因此在本申请的另一个实施例中，光子数分辨探测器还包括斩波器，如图3所示，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。

通过设置斩波器，对输入的连续光斩波形成周期性的斩波脉冲或对周期性小的光脉冲进行截取以控制输入脉冲的周期。斩波器基于控制模块输出的斩波电信号对输入的待测光进行斩波调制，形成特定时域宽度的斩波脉冲。这里需要注意的是，若对周期小的光脉冲进行截取，需要调制控制模块输出的斩波电信号的周期，使斩波电信号的周期数倍于光脉冲的周期，如图4所示，以保证对待测光脉冲进行有效斩波。图4所示为斩波电信号的周期是待测光脉冲的2倍，为了保证截取获取完整的光脉冲，调制斩波电信号的脉冲宽度不小于待测光脉冲的宽度，以对一个完整的光脉冲进行探测。

本申请中的斩波器优选采用MZI型光开关或铌酸锂强度调制器。

当斩波器为MZI型光开关，其结构与MZ干涉仪的结构相同，参见图2，其上的相位调制器基于控制模块的调制调节输入光的相位，使一部分光从输出上端输出，一部分光从输出下端输出，这里为了便于解释，设定第二50:50分束器的输出下端与第一个波导分束器的输入下端连接，第一50:50分束器的输入下端用于接收待测光，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5所示。通过调整相位调制器，截取的待测光的一部分从第二50:50分束器的输出下端输出形成斩波脉冲，而未被截取的其它部分从第二50:50分束器的输出上端输出，此部分为无效输出脉冲，从而达到获取斩波脉冲的目的。具体而言，相位调制器对待测光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待测光的周期一致。

在另一个实施例中，斩波器为铌酸锂强度调制器。具体地，铌酸锂强度调制器由输入直波导、3dB分束器、传输上波导、传输下波导、3dB合束器、输出直波导和调制电极组成，如图6所示，输入直波导与3dB分束器的输入端连接，传输上波导的两端分别与3dB分束器的输出上端口和3dB合束器的输入上端口连接，传输下波导的两端分别与3dB分束器的输出下端口和3dB合束器的输入下端口连接，输出直波导与3dB合束器的输出端连接，调制电极共4个，2个调制电极分别对称设置在传输上波导的两侧，另外2个调制电极分别对称设置在传输下波导的两侧。

传输上波导的两侧和传输下波导的两侧对称设置调制电极，对称设置的调制电极分别在外加电场的作用下，相应地在传输上波导和传输下波导内建立电场，传输上波导和传输下波导在内电场的作用下，折射率发生改变。通过改变外加电场的调制电压，实现在传输上波导和传输下波导内传输的待测光的相位变化。具体地，待测光通过输入直波导传输至3dB分束器，在3dB分束器的作用下分为能量相等的两束光，此两束光分别通过传输上波导和传输下波导传输，而传输上波导和传输下波导分别基于对称设置的调制电极，在外加电场的作用下，使在传输上波导的一束光和在传输下波导的另一束光分别产生大小相等的一正一负的相位变化，经过相位调制的两束光在3dB合束器干涉合成并通过输出直波导输出。在外加电场的作用下，经过3dB分束器后的两束光在外加电场的作用下产生了相位差，通过调整外加电场的电压也即是改变两束光的相位差，在3dB合束器上干涉合成实现待测光的干涉相消或干涉加强。在本申请中干涉加强的过程即为形成斩波脉冲的过程。

基于上述内容可知，本申请利用循环波导和可调控分束器实现光脉冲的循环和各单光子探测器的复用，减少了探测器的数量且通过分析每次循环中各单光子探测器的计数之和是否为零判断是否继续循环，降低循环次数和循环时间，提升实用性的同时缩小了整个系统的体积且节省了成本。

针对本申请提供的一种光子数分辨探测器，本申请还对应提供一种光子数分辨探测器的探测方法，所述方法包括：

待测光脉冲输入至第一个波导分束器开始第一循环过程，光脉冲依次输入至各个波导分束器，各波导分束器对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块；

控制模块统计第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，若计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，此计数结果即为待测光脉冲的光子数量；若第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和不为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器开始第二循环过程，重复第一循环的探测过程，直至在某一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，控制模块累加各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，累加总和即为待测光脉冲的光子数量；若经过第循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则在第/>循环过程中，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测。

这里需要注意的是，若经过第循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则需要进行第/>循环，若在该循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则继续进行第/>循环，直至到第/>循环，若该循环中各第一单光子探测器的计数总和仍不为零，则进行第/>循环过程，需要提醒的是无论第/>循环过程中各第一单光子探测器的计数总和是否为零，控制模块均调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，强制结束循环停止探测。

当开始对待测光进行探测时，则对于本申请中的光子数分辨探测器，其可测的最大光子数量n、波导分束器的数量N和循环周期t都是确定的，且待测光脉冲的周期T也是可知的，因此和/>都是确定的数值。若波导分束器为可调控分束器，基于上述内容可知，在每个循环中各波导分束器的分束比也是确定的，因此可以在控制模块中如上位机上设定每个过程中相应波导分束器的分束比，以达到控制模块对各波导分束器的分束比调节，完成探测过程。

当光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器时，光子数分辨探测器的探测方法还包括：

控制模块周期性输出斩波电信号并将斩波电信号传输给斩波器；

斩波器基于斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器，然后开始对斩波脉冲的循环探测。

通过斩波器的斩波过程，对输入的连续光斩波形成周期性的斩波脉冲或对周期性小的光脉冲进行截取以控制输入脉冲的周期，进一步提高了本申请的适用范围。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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 (9)

1.一种光子数分辨探测器，其特征在于，包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块；

N个波导分束器依次相连，波导分束器和可调控分束器均具有两个输入端和两个输出端，前一个波导分束器的输出上端与下一个波导分束器的输入上端连接，每个波导分束器的输出下端相应连接一个第一单光子探测器，第N个波导分束器的输出上端与可调控分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出上端通过循环波导与第一个波导分束器的输入上端连接，可调控分束器的输出下端连接第二单光子探测器，可调控分束器、第二单光子探测器和所有第一单光子探测器均与控制模块连接；波导分束器用于对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；可调控分束器基于控制模块的控制将接收的光脉冲全部从其输出上端输出或全部从其输出下端输出；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的光脉冲信号转换为相应的电信号并获取光子计数；控制模块基于每个循环过程中各第一单光子探测器反馈的光子计数控制可调控分束器的分束比并分析获取光子总数；

其中，N为正整数且 ，式中[ ]符号表示取整，n为预设的光子数分辨探测器可测的最大光子数量，t为光脉冲循环一次所需的时间，T为待测光脉冲的周期，光脉冲循环一次的过程为光脉冲从第一个波导分束器依次输入到第N个波导分束器并从可调控分束器输出经过循环波导传输至第一个波导分束器的过程。

2.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，控制模块用于周期性输出斩波电信号，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器。

3.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述波导分束器为固定分束比分束器或可调控分束器；

当波导分束器为固定分束比分束器时，波导分束器的分束比均为（n-1）:1；

当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-1）:1，在第二循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-N-1）:1，在第三循环过程中调控各波导分束器的分束比均为（n-2N-1）:1，以此类推，在第M循环过程中调控各波导分束器的分束比均为[n-（M-1）×N-1]:1，其中;

或当波导分束器为可调控分束器时，在第一循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-2）:1，依次类推，第N个波导分束器的分束比为（n-N）:1；在第二循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为（n-N-1）:1，第二个波导分束器的分束比为（n-N-2）:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为（n-2N）:1；以此类推，在第M循环过程中调控第一个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-1]:1，第二个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-2]:1，第三个波导分束器的分束比为[n-（M-1）×N-3]:1，以此类推，第N个波导分束器的分束比为，其中/>。

4.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均为光电倍增管、雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述控制模块为上位机。

6.根据权利要求2所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述斩波器为MZI型光开关或铌酸锂强度调制器。

7.根据权利要求1或3所述的一种光子数分辨探测器，其特征在于，所述可调控分束器为MZ干涉仪。

8.一种光子数分辨探测器的探测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的光子数分辨探测器，所述光子数分辨探测器包括N个波导分束器、N个第一单光子探测器、可调控分束器、第二单光子探测器、循环波导和控制模块，所述方法包括：

待测光脉冲输入至第一个波导分束器开始第一循环过程，光脉冲依次输入至各个波导分束器，各波导分束器对接收的光脉冲按照其分束比进行分束，使一部分光束输入至与之连接的第一单光子探测器，另一部分光束输入至下一个波导分束器或可调控分束器；同时每个波导分束器对应连接的第一单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块；

控制模块统计第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和，若计数总和为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，此计数结果即为待测光脉冲的光子数量；若第一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和不为零，则控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出上端并通过循环波导输入至第一个波导分束器开始第二循环过程，重复第一循环的探测过程，直至在某一循环过程中各第一单光子探测器的计数总和为零，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器，第二单光子探测器对接收的光脉冲进行探测和计数并将计数结果反馈给控制模块，控制模块累加各个循环过程中第一单光子探测器的计数总和以及第二单光子探测器的计数，累加总和即为待测光脉冲的光子数量；若经过第循环后，每个循环过程中各第一单光子探测器的计数总和均不为零，则在第/>循环过程中，控制模块调节可调控分束器的分束比使其接收的光脉冲全部从其输出下端输入至第二单光子探测器强制结束循环停止探测。

9.根据权利要求8所述的一种光子数分辨探测器的探测方法，其特征在于，当光子数分辨探测器还包括斩波器，控制模块和第一个波导分束器均与斩波器连接，斩波器基于控制模块输出的斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器时，所述方法还包括：

控制模块周期性输出斩波电信号并将斩波电信号传输给斩波器；

斩波器基于斩波电信号截取输入的连续光或光脉冲形成斩波脉冲并将斩波脉冲输入至第一个波导分束器，然后开始对斩波脉冲的循环探测。