CN209069421U - 一种单光子探测器的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单光子探测器的测试装置，包括测试电路，该测试电路包括控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块，控制器上设有与人机交换设备相连接的端口以及分别与时钟模块、时间位置测量模块、光源模块相连接的端口，光源模块依次与光衰减模块、分光器模块相连接，且时钟模块、时间位置测量模块以及分光器模块上皆设有能够与单光子探测器设备相连接的端口，上述部件构成的测试电路能够对单光子探测器设备进行测试。本实用新型的装置能够避免外接光源设备、光衰减器，采用该装置的测试方法能够解决单光子探测器的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试标定问题。

Description

一种单光子探测器的测试装置

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信技术领域，具体地说是一种能够解决单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试标定问题的单光子探测器的测试装置。

背景技术

单光子探测技术是量子保密通信领域中的核心技术之一。目前，量子保密通信领域中的单光子探测器主要基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管APD管作为其探测元件。它的工作模式是通过在APD管上加上高于雪崩电压的偏置电压使其处于“盖革”模式，当单光子到达APD管上一定概率触发APD管发生“自持雪崩”，产生较大的雪崩电流，通过后级处理电路完成对其进行检测，从而实现单光子的探测。为了保障单光子探测器的连续探测，必须在雪崩发生后、下一个光子到达前淬灭该雪崩过程，目前通用的方式采用门控模式实现雪崩过程的淬灭。

量子保密通信中，为了保障QKD过程生成密钥的安全性，通常对探测器设备中多通道单光子探测器的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽等性能提出相对严格的匹配要求。目前，各大厂商对单光子探测参数测试提出了不同的测试条件。例如：瑞士IDQ公司、美国PrincetonLightwave公司以及中国科大国盾公司都提出了不同的测试方法，其中科大国盾“一种单光子探测器的测试装置及其测试方法”中较为详细的提出了单光子探测器的各个技术指标的测试方法。科大国盾提出的一种单光子探测器的测试装置及其测试方法的技术方案如图1所示。科大国盾公司提出的测试方法为：通过上位机软件实现测试中的参数下发和数值计算、统计；主控电路中输出光源触发驱动信号给窄脉冲光源，窄脉冲光源发光后在经过光衰减器产生单光子用于测试，同时主控电路中的门控触发信号驱动送给单光子探测器模块，延时调节在主控电路（测试工装）中实现，单光子探测器模块输出的计数送给主板电路上进行数据处理后得到单光子探测器模块的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽等计数指标。科大国盾提出的“一种单光子探测器的测试装置及其测试方法”能够有效的解决单光子探测器在量子保密通信领域中相关技术指标测试问题。但是，现有的测试装置需要提供外部的窄脉冲光源和光衰减器，占用较多的设备和仪器。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够解决单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试标定问题的单光子探测器的测试装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种单光子探测器的测试装置，包括测试电路，其特征在于：所述的测试电路包括控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块；

控制器，用于接收人机交换设备发出的指令并根据接收到的指令生成相应的控制指令，并将所述控制指令发送给所述对应模块，且能够接收所述对应模块传输来的信息并传输给所述人机交换设备；在控制器上设置有能够与人机交换设备相连接的端口以及多个与对应模块相连接的端口；

时钟模块，用于接收所述控制器发出的控制指令并根据所述控制指令生成同步时钟信号，将所述同步时钟信号发送给单光子探测器设备和时间位置测量模块；在时钟模块上设置有与单光子探测器设备和时间位置测量模块相连接的端口；

时间位置测量模块，用于接收所述单光子探测器设备发出的计数脉冲信号和接收所述时钟模块输出的所述同步时钟信号，将所述计数脉冲信号直接传输给所述控制器、或者根据所述计数脉冲信号和所述同步时钟信号进行时间位置测量并将所述时间位置测量的结果传输给所述控制器；在时间位置测量模块上设置有与单光子探测器设备相连接的端口；

光源模块，用于接收所述控制器发出的发光指令并生成窄脉冲激光发射至所述的光衰减模块；

光衰减模块，用于接收所述光源模块发出的窄脉冲激光和接收所述控制器发出的控制指令，并根据所述控制指令将接收到的所述窄脉冲激光衰减生成特定光强的衰减激光；

分光器模块，用于接收所述特定光强的衰减激光，并将单光子状态的衰减激光输出至所述单光子探测器设备；在分光器模块上设置有与所述单光子探测器设备相连接的端口；

上述控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块构成的测试电路能够进行单光子探测器设备的性能测试。

所述的时钟模块包括：

输出比较器，用于将控制器输出的控制指令转化为标准的电平信号，并将所述电平信号输出给时钟驱动器；

时钟驱动器，用于接收所述输出比较器输出的所述电平信号，并根据所述电平信号生成时钟信号，将所述时钟信号输出至所述单光子探测器设备和所述时间位置测量模块。

所述的时间位置测量模块包括：

输入比较器，用于接收所述单光子探测器设备发出的计数脉冲信号并转化为标准的电平信号，并将所述电平信号输出给1:2时钟驱动器；

1:2时钟驱动器，用于接收所述输入比较器输出的所述电平信号，并生成时钟信号输出给时间位置测量单元和所述控制器；

时间位置测量单元，用于接收所述1:2时钟驱动器输出的所述时钟信号和所述时钟模块输出的所述同步时钟信号，根据所述时钟信号和所述同步时钟信号进行时间位置测量并将所述时间位置测量的结果传输给所述控制器。

所述光源模块包括窄脉冲调节电路、DFB激光器；

窄脉冲调节电路，用于接收所述控制器输出的驱动信号，并生成百ps量级的窄脉冲电流；

DFB激光器，用于接收所述百ps量级的窄脉冲电流并出射窄脉冲激光，在DFB激光器的出射端设有能够与光衰减模块相连接的端口。

所述的光衰减模块包括：

VOA衰减电路，用于接收所述控制器的控制指令，并根据所述的控制指令生成VOA衰减控制指令；

VOA，用于接收所述光源模块输出的所述窄脉冲激光以及接收所述的VOA衰减控制指令，生成具有特定光强的衰减激光；在VOA上设有能够与分光器模块相连接的输出端口。

所述的分光器模块包括：

分光器，用于接收光衰减模块输出的衰减激光，并根据衰减激光的特性分别输送给单光子探测器设备、单光子APD夹具上的待测设备以及能够直接与人机交换设备相连的功率计。

所述的控制器采用可编程芯片或可编程模块。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型的测试装置解决了现有的单光子探测器测试中需要使用光源设备、光衰减器的问题，能够解决单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试标定问题；该测试装置中的控制器接受人机交换设备指令输出驱动信号给窄脉冲调节电路驱动DFB激光器发光，经过VOA衰减电路以及后级光衰减器调节达到单光子水平；控制器通过输出比较器、时钟驱动器输出同步时钟信号给单光子探测器设备的主控模块进行倍频输出并在单光子探测器设备的主控模块中进行处理得到门控信号下发给单光子APD管，同时通过人机交换设备控制单光子探测器设备的主控模块启动参数标定流程，单光子探测器设备输出计数脉冲信号给测试电路并经1:2时钟驱动器输出两路时钟信号分别送给时间位置测量单元、控制器以完成计数统计；通过上述的方法能够完成单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的标定，并将相关参数记录至人机交换设备的存储单元中，自动完成一套单光子探测器设备的参数测试、记录。

附图说明

附图1为现有技术中的单光子探测器的测试装置的结构示意图；

附图2为本实用新型的单光子探测器的测试装置的模块结构示意图；

附图3为本实用新型的单光子探测器的测试装置的电路结构示意图；

附图4为本实用新型的测试装置测试时的参数标定过程获得的有效门宽时的延时位置-计数关系图；

附图5为本实用新型的测试装置测试时获得计数值C1时的位置-计数关系图；

附图6为本实用新型的测试装置测试时获得计数值C2、C3时的位置-计数关系图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图2所示：一种单光子探测器的测试装置，包括测试电路，测试电路能够向单光子探测器设备输出同步时钟信号和单光子，且单光子探测器设备能够向测试电路输入计数脉冲，该测试电路包括包括控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块；在控制器上设置有能够与人机交换设备（含软件）相连接的端口以及多个与对应模块相连接的端口；时钟模块的输入端与控制器相连接且时钟模块的同步时钟信号输出端能够分别与单光子探测器设备和时间位置测量模块相连接；时间位置测量模块的输入端分别与单光子探测器设备的计数脉冲输出端和时钟模块的同步时钟信号输出端相连接且时间位置测量模块的输出端与控制器相连接；光源模块的输入端与控制器相连接且光源模块的输出端与光衰减模块相连接，光衰减模块的输出端与分光器模块相连接，分光器模块的输出端与单光子探测器设备以及功率计相连接；上述控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块构成的测试电路能够进行单光子探测器设备的性能测试。该测试装置对单光子探测器设备进行测试时，在单光子探测器设备上设置有与人机交换设备（含软件）直接相连接的控制接口。

如图3所示：一种单光子探测器的测试装置，包括测试电路，测试电路能够向单光子探测器设备输出同步时钟信号和单光子，且单光子探测器设备能够向测试电路输入计数脉冲，该测试电路包括控制器、时钟驱动器、输入比较器以及分光器，该控制器上设置有能够与人机交换设备（含软件）相连接的端口，控制器采用可编程芯片或可编程模块，且在时钟驱动器、输入比较器、分光器上分别设置有与单光子探测器设备相连接的端口，控制器还通过线路依次与输出比较器和时钟驱动器相连接，且控制器通过输出比较器和时钟驱动器向单光子探测器设备的同步时钟信号输入端口输入同步时钟信号，时钟驱动器通过线路与时间位置测量单元相连接，时钟驱动器输出同步时钟信号至时间位置测量单元作为时间位置测量单元的启动信号；控制器通过线路依次与时间位置测量单元、1:2时钟驱动器、输入比较器相连接，且1:2时钟驱动器直接通过线路与控制器相连接，输入比较器上的计数信号接收端口能够接收单光子探测器设备输出的计数信号，1:2时钟驱动器接收输入比较器输出的电平信号，1:2时钟驱动器发出的时钟信号一路通过时间位置测量单元输出至控制器、另一路直接输出至控制器；控制器依次通过窄脉冲调节电路、DFB激光器、VOA与分光器相连接，且控制器通过VOA衰减电路与VOA相连接且该控制器通过VOA衰减电路向VOA下发VOA衰减控制指令，控制器能够通过对窄脉冲调节电路和VOA的控制使分光器与单光子探测器设备连接的输出端口能够输出单光子。该装置对单光子探测器设备进行测试时，在单光子探测器设备上设置有与人机交换设备（含软件）直接相连接的控制接口。

在图3所述的装置中，分光器选择至少输出两路的分光器，一路与单光子探测器设备连接并输出单光子强度，另一路与与功率计连接且该功率计通过线路与人机交换设备（含软件）直接相连；使用时，控制器下发电压给VOA衰减电路，VOA衰减电路控制VOA从0V开始增加电压，0V以及每次增压时，功率计均测量一次光强并输送至人机交换设备（含软件），直至VOA一个周期的电压（如5V）后结束，人机交换设备（含软件）输出电压与光强的曲线关系。

具体来说：功率计的作用如下：当使用单光子探测器设备做测量时，功率计的作用是检测分光器是否输出单光子给单光子探测器设备，具体为，VOA控制电路控制VOA衰减的程度要符合分光器输出一路单光子强度的光，其余路线输出的光强与分光器的选择的规格有关，例如1:999BS，当输出单光子强度的强度值表示为1时，另一路输出的强度可表示为999，因此通过查看功率计测量光强是否在合理的范围内，即可得知单光子探测器设备接收到的光强是否为单光子强度的光；若功率计测量光强超出合理的范围，还可根据功率计的测量结果控制VOA控制电路使VOA对光的衰减程度处在合理的范围内。

下面通过对单光子探测器进行测试来说明本实用新型提供的单光子探测器的测试装置。

该装置用于测试单光子探测器设备时的测试方法的步骤为：

A1、将测试电路的控制器通过串口与人机交换设备（含软件）连接且人机交换设备（含软件）通过电缆直接与单光子探测器设备的控制接口相连接，测试电路中的时钟驱动器、输入比较器、分光器分别与单光子探测器设备的相应端口连接，人机交换设备（含软件）通过控制接口直接给单光子探测器设备发送启动信号，单光子探测器设备接收到启动信号后启动参数标定；参数标定详细步骤如下：

A11、人机交换设备（含软件）只控制单光子探测器设备，步骤如下：A111、单光子探测器设备接收时钟驱动器发送的同步时钟信号并进行倍频，得到门控信号；A112、人机交换设备（含软件）下发温度参数给单光子探测器设备，单光子探测器设备内部的主控电路控制制冷设备对单光子APD管进行制冷；

A12、人机交换设备（含软件）控制单光子探测器设备以及测试电路，步骤如下：A121、人机交换设备（含软件）下发APD偏压参数（从0V开始）给单光子探测器设备，单光子探测器设备输出计数脉冲经过输入比较器以及1:2时钟驱动器后传输给控制器，控制器进行计数统计并将计数值发送给人机交换设备（含软件），不断改变单光子APD管的偏压参数，直至计数值达到阈值（如探测计数在50～100之间即可停止调节单光子APD管的反向偏置电压）结束，达到阈值时对应的电压即为偏置电压，得到偏置电压值；A122、控制器控制激光发射电路发光给VOA且控制器通过VOA衰减电路控制VOA输出的光强，将该光强的光经过分光器后输出单光子强度的光给单光子探测器设备，单光子探测器设备输出计数脉冲经过输入比较器以及1:2时钟驱动器后输入时间位置测量单元，人机交换设备（含软件）通过控制器控制时间位置测量单元的延时位置，每调整一个延时位置，就对该延时位置的计数进行统计，将各延时位置对应的计数值发送给人机交换设备（含软件），找到最大计数值的延时位置，该延时位置对应的延时值即为寻找的延时值，根据统计的各延时位置的计数得到有效门宽（即符合门宽度，即计数大于设置的阈值区间的宽度，如图4所示）。

A2、人机交换设备（含软件）将步骤（A1）中通过参数标定得到的门控信号、温度参数、偏置电压值、延时值、有效门宽下发给单光子探测器设备，并通过控制器控制激光发射电路不发光，单光子探测器设备输出计数脉冲经过输入比较器以及1:2时钟驱动器后传输给时间位置测量单元，时间位置测量单元统计单位时间内（如1S）的计数值为C1并传递给控制器，如图5所示，其中各位置计数总和为C1；

A3、人机交换设备（含软件）通过控制器控制激光发射电路发光给VOA且控制器通过VOA衰减电路控制VOA输出的光强，将该光强的光经过分光器后输出单光子强度的光给单光子探测器设备，单光子探测器设备输出计数脉冲经过输入比较器以及1:2时钟驱动器后输入时间位置测量单元，时间位置测量单元统计单位时间内（如1S）的计数值为C2且C2中计数最大值即为C3并传递给控制器，如图6所示，其中各位置计数总和为C2，最大计数值为C3，即5000ns时的计数值；

A4、测试电路将计数值C1、C2发送给人机交换设备（含软件），在人机交换设备（含软件）中计算出单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率，探测效率，其中为死时间；暗计数概率，其中为发光频率；后脉冲概率。

通过上述步骤能够完成单光子探测器的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试以及单光子探测器中的参数标定过程。

本实用新型的测试装置解决了现有的单光子探测器测试中需要使用光源设备、光衰减器的问题，能够解决单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的测试标定问题；该测试装置中的控制器接受人机交换设备指令输出驱动信号给窄脉冲调节电路驱动DFB激光器发光，经过VOA衰减电路以及后级光衰减器调节达到单光子水平；控制器通过输出比较器、时钟驱动器输出同步时钟信号给单光子探测器设备的主控模块进行倍频输出并在单光子探测器设备的主控模块中进行处理得到门控信号下发给单光子APD管，同时通过人机交换设备控制单光子探测器设备的主控模块启动参数标定流程，单光子探测器设备输出计数脉冲信号给测试电路并经1:2时钟驱动器输出两路时钟信号分别送给时间位置测量单元、控制器以完成计数统计；通过上述的方法能够完成单光子探测器设备的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽的标定，并将相关参数记录至人机交换设备的存储单元中，自动完成一套单光子探测器设备的参数测试、记录。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种单光子探测器的测试装置，包括测试电路，其特征在于：所述的测试电路包括控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块；

控制器，用于接收人机交换设备发出的指令并根据接收到的指令生成相应的控制指令，并将所述控制指令发送给所述对应模块，且能够接收所述对应模块传输来的信息并传输给所述人机交换设备；在控制器上设置有能够与人机交换设备相连接的端口以及多个与对应模块相连接的端口；

时钟模块，用于接收所述控制器发出的控制指令并根据所述控制指令生成同步时钟信号，将所述同步时钟信号发送给单光子探测器设备和时间位置测量模块；在时钟模块上设置有与单光子探测器设备和时间位置测量模块相连接的端口；

时间位置测量模块，用于接收所述单光子探测器设备发出的计数脉冲信号和接收所述时钟模块输出的所述同步时钟信号，将所述计数脉冲信号直接传输给所述控制器、或者根据所述计数脉冲信号和所述同步时钟信号进行时间位置测量并将所述时间位置测量的结果传输给所述控制器；在时间位置测量模块上设置有与单光子探测器设备相连接的端口；

光源模块，用于接收所述控制器发出的发光指令并生成窄脉冲激光发射至所述的光衰减模块；

光衰减模块，用于接收所述光源模块发出的窄脉冲激光和接收所述控制器发出的控制指令，并根据所述控制指令将接收到的所述窄脉冲激光衰减生成特定光强的衰减激光；

分光器模块，用于接收所述特定光强的衰减激光，并将单光子状态的衰减激光输出至所述单光子探测器设备；在分光器模块上设置有与所述单光子探测器设备相连接的端口；

上述控制器、时钟模块、时间位置测量模块、光源模块、光衰减模块、分光器模块构成的测试电路能够进行单光子探测器设备的性能测试。

2.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述的时钟模块包括：

输出比较器，用于将控制器输出的控制指令转化为标准的电平信号，并将所述电平信号输出给时钟驱动器；

时钟驱动器，用于接收所述输出比较器输出的所述电平信号，并根据所述电平信号生成时钟信号，将所述时钟信号输出至所述单光子探测器设备和所述时间位置测量模块。

3.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述的时间位置测量模块包括：

输入比较器，用于接收所述单光子探测器设备发出的计数脉冲信号并转化为标准的电平信号，并将所述电平信号输出给1:2时钟驱动器；

1:2时钟驱动器，用于接收所述输入比较器输出的所述电平信号，并生成时钟信号输出给时间位置测量单元和所述控制器；

时间位置测量单元，用于接收所述1:2时钟驱动器输出的所述时钟信号和所述时钟模块输出的所述同步时钟信号，根据所述时钟信号和所述同步时钟信号进行时间位置测量并将所述时间位置测量的结果传输给所述控制器。

4.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述光源模块包括窄脉冲调节电路、DFB激光器；

窄脉冲调节电路，用于接收所述控制器输出的驱动信号，并生成百ps量级的窄脉冲电流；

DFB激光器，用于接收所述百ps量级的窄脉冲电流并出射窄脉冲激光，在DFB激光器的出射端设有能够与光衰减模块相连接的端口。

5.根据权利要求1或4所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述的光衰减模块包括：

VOA衰减电路，用于接收所述控制器的控制指令，并根据所述的控制指令生成VOA衰减控制指令；

VOA，用于接收所述光源模块输出的所述窄脉冲激光以及接收所述的VOA衰减控制指令，生成具有特定光强的衰减激光；在VOA上设有能够与分光器模块相连接的输出端口。

6.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述的分光器模块包括：

分光器，用于接收光衰减模块输出的衰减激光，并根据衰减激光的特性分别输送给单光子探测器设备、单光子APD夹具上的待测设备以及能够直接与人机交换设备相连的功率计。

7.根据权利要求1所述的单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述的控制器采用可编程芯片或可编程模块。