一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置及其測(cè)試方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，包括主控電路、窄脈沖光源、上位機(jī)；主控電路產(chǎn)生發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器的門控觸發(fā)信號(hào)及發(fā)給窄脈沖光源的隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，并對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到有效光計(jì)數(shù)及無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖；窄脈沖光源接收隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生光脈沖，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值，將隨機(jī)光脈沖接到待測(cè)單光子探測(cè)器的光輸入端口；上位機(jī)與主控電路相連。本發(fā)明專利技術(shù)還公開了使用該單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試的方法。本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：只需進(jìn)行簡單的設(shè)置，便能自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)試過程，能夠在幾分鐘內(nèi)完成對(duì)待測(cè)單光子探測(cè)器多個(gè)性能參數(shù)的測(cè)試，非常高效便捷。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于單光子探測(cè)和量子保密通信領(lǐng)域，具體涉及一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置及其測(cè)試方法。
技術(shù)介紹
量子保密通信是量子通信技術(shù)在密碼通信方面的重要應(yīng)用，它通過傳輸單光子或者糾纏光子，實(shí)現(xiàn)量子狀態(tài)的傳遞，從而完成通信。目前，基于單光子實(shí)現(xiàn)的量子通信技術(shù)，通常被稱為量子密鑰分發(fā)(QKD)技術(shù)，已經(jīng)日臻成熟。該技術(shù)基于“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”和“量子不可復(fù)制原理”，使用每比特單光子傳輸隨機(jī)數(shù)，由此發(fā)送端和接收端能夠產(chǎn)生并共享隨機(jī)數(shù)密鑰。原理上，對(duì)QKD過程的任何竊聽都必然會(huì)被發(fā)現(xiàn)。因此，QKD過程所產(chǎn)生的密鑰具有理論上的無條件安全性。單光子探測(cè)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)(QKD)、光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域。目前，光通信波段的近紅外單光子探測(cè)器主要以基于InGaAs/InP材料的雪崩光電二極管(APD)為探測(cè)元件。采用高于雪崩電壓的偏置電壓，使APD工作在“蓋革”模式，這樣即使是單個(gè)光子到達(dá)探測(cè)器，也能以一定概率觸發(fā)APD的“自持雪崩”，產(chǎn)生較大的雪崩電流，該雪崩電流容易被后續(xù)電路所檢測(cè)到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子信號(hào)的探測(cè)。為了保證探測(cè)器對(duì)單光子信號(hào)的連續(xù)探測(cè)，必須在雪崩發(fā)生后、下一光子到達(dá)前淬滅該雪崩過程。通常采用門控模式淬滅雪崩過程，通過同步光子的到達(dá)時(shí)間，并僅在光子到達(dá)時(shí)刻提升APD偏置電壓的方式，這樣既能提升探測(cè)速率，又能降低暗計(jì)數(shù)概率。為了保證實(shí)際QKD過程所產(chǎn)生的密鑰的安全性，通常對(duì)接收方的多臺(tái)探測(cè)
器之間的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)概率、后脈沖概率、有效門寬等性能參數(shù)的匹配有嚴(yán)格的要求。然而目前還缺少一種準(zhǔn)確、高效、標(biāo)準(zhǔn)化、針對(duì)量子保密通信的單光子探測(cè)器的測(cè)試方法，各個(gè)廠商所提供的單光子探測(cè)器各參數(shù)的測(cè)試條件也很不一樣，很不利于單光子探測(cè)器的批量檢測(cè)、故障診斷以及QKD過程的整體性能估計(jì)等。比如，瑞士ID Quantique公司的ID201紅外單光子探測(cè)器手冊(cè)中給出的噪聲指標(biāo)(暗計(jì)數(shù)+后脈沖)是在2.5ns門寬、100kHz觸發(fā)頻率、無死時(shí)間的條件下測(cè)得的，單位為/ns，而QKD過程關(guān)心的是每門探測(cè)到的噪聲概率，并且是在幾十MHz甚至更高的觸發(fā)頻率、死時(shí)間為若干us的條件下；同樣的，美國Princeton Lightwave公司的PGA-600單光子探測(cè)器也只給出了500kHz觸發(fā)頻率、無死時(shí)間條件下的后脈沖概率。因此，針對(duì)QKD過程所關(guān)心的一些性能參數(shù)，必須自行對(duì)單光子探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)暗計(jì)數(shù)概率的測(cè)試基本上沒有問題，都是測(cè)試沒有光的時(shí)候的計(jì)數(shù)，再扣除死時(shí)間的影響，最終得到單位時(shí)間內(nèi)(每門或每秒)的暗計(jì)數(shù)概率。對(duì)于探測(cè)效率，現(xiàn)有技術(shù)中常用的測(cè)試方法是，測(cè)試單光子條件下(比如平均0.1光子/脈沖)的計(jì)數(shù)，再扣除暗計(jì)數(shù)、死時(shí)間以及多光子分布的影響后，得到探測(cè)效率。但是，這種方法沒有扣除后脈沖的影響，也沒有考慮高計(jì)數(shù)率下可能帶來的其它負(fù)作用，例如，在高重復(fù)頻率下，電路的噪聲可能會(huì)急劇增加。對(duì)于后脈沖，由于它是由其它雪崩產(chǎn)生的，所以通常將其同探測(cè)效率同時(shí)測(cè)得，才比較準(zhǔn)確。現(xiàn)有技術(shù)中，一種方法是在死時(shí)間內(nèi)專門開一個(gè)門來測(cè)試雪崩過后不同時(shí)刻的后脈沖概率，然后再積分得到總的概率；由于后脈沖計(jì)數(shù)都很小，此種方法測(cè)得的誤差會(huì)很大。還有一種方法是采用光脈沖的頻率小于
探測(cè)器門觸發(fā)的頻率，然后再經(jīng)過符合、反符合分別得到探測(cè)效率和噪聲；但這種方法將發(fā)光時(shí)檢測(cè)到的雪崩都算作光子計(jì)數(shù)，不是很準(zhǔn)確，未扣除暗計(jì)數(shù)的影響。綜上，現(xiàn)有技術(shù)中，缺少一種準(zhǔn)確、高效、標(biāo)準(zhǔn)化、針對(duì)量子保密通信的單光子探測(cè)器的測(cè)試方法，且對(duì)探測(cè)效率、后脈沖的測(cè)試方法存在較大誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單光子探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)概率、探測(cè)效率、后脈沖概率、有效門寬等主要參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)化測(cè)試的單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置及其測(cè)試方法。本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，包括：主控電路、窄脈沖光源、上位機(jī)；所述主控電路產(chǎn)生門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)同源，門控觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器，隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)發(fā)給窄脈沖光源，主控電路對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的有效光計(jì)數(shù)以及無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖；所述窄脈沖光源接收主控電路輸出的隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生光脈沖，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值，然后將隨機(jī)光脈沖接到待測(cè)單光子探測(cè)器的光輸入端口；上位機(jī)與主控電路相連，用于設(shè)置測(cè)試參數(shù)、下發(fā)測(cè)試指令、讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得包括暗計(jì)數(shù)概率、探測(cè)效率、后脈沖概率、有效門寬參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。通常窄脈沖光源內(nèi)部集成有光強(qiáng)控制裝置，例如光衰減器，如果通過控制窄脈沖光源內(nèi)部的光強(qiáng)控制裝置能夠使測(cè)試裝置的輸出光強(qiáng)與每脈沖平均光子數(shù)的設(shè)定值相對(duì)應(yīng)，則不需要另加光衰減器，否則可以在窄脈沖光源后連接光衰減器，通過控制光衰減器，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值。具體的，所述主控電路包括系統(tǒng)時(shí)鐘、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、門控延時(shí)模塊、門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、符合延時(shí)模塊、符合計(jì)數(shù)模塊、反符合計(jì)數(shù)模塊；系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生測(cè)試時(shí)用的兩路時(shí)鐘信號(hào)，一路發(fā)送給門控延時(shí)模塊，一路發(fā)送給偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，兩路時(shí)鐘信號(hào)同源；門控延時(shí)模塊根據(jù)設(shè)定的門控延時(shí)值對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，將延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送給門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊；門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)所收到的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)刻的門控觸發(fā)信號(hào)，并將其發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器；偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器根據(jù)所收到的時(shí)鐘信號(hào)及設(shè)定的觸發(fā)密度，在相應(yīng)時(shí)刻生成偽隨機(jī)數(shù)，并將其發(fā)送給光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)、符合延時(shí)模塊；光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊依照規(guī)則向窄脈沖光源發(fā)送光源觸發(fā)信號(hào)；符合延時(shí)模塊根據(jù)設(shè)定的符合延時(shí)值對(duì)偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，將延時(shí)后的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)送給符合計(jì)數(shù)、反符合計(jì)數(shù)模塊；符合計(jì)數(shù)模塊對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)和偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行符合計(jì)數(shù)，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的有效光計(jì)數(shù)；反符合計(jì)數(shù)模塊對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)和偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行反符合計(jì)數(shù)，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖。作為更具體的技術(shù)方案，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的為二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)，
設(shè)定的觸發(fā)密度是指所產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)中1或0所占的百分比，當(dāng)二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)為1時(shí)，光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊向窄脈沖光源發(fā)送光源觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)為0時(shí)不發(fā)送。本專利技術(shù)還提供一種使用上述的單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置的測(cè)試方法，具體包括如下步驟：步驟1、單光子探測(cè)器測(cè)試裝置初始化，包括以下內(nèi)容：(1)建立上位機(jī)和主控電路之間的數(shù)據(jù)連接；(2)設(shè)置測(cè)試參數(shù)，包括每脈沖平均光子數(shù)、測(cè)試頻率、死時(shí)間周期數(shù)和觸發(fā)密度；每脈沖平均光子數(shù)的設(shè)置應(yīng)符合單光子探測(cè)器的實(shí)際使用條件，測(cè)試頻率和死時(shí)間周期數(shù)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，觸發(fā)密度為偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)中1或0所占的百分比；(3)使測(cè)試裝置的輸出光強(qiáng)與每脈沖平均光子數(shù)的設(shè)定值相對(duì)應(yīng)；若對(duì)輸出光強(qiáng)和光強(qiáng)控制裝置(例如光衰減器)已進(jìn)行過標(biāo)定，則通過查表便快速得到與輸出光強(qiáng)目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)調(diào)節(jié)值(例如衰減值)，然后對(duì)光本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于：包括：主控電路、窄脈沖光源、上位機(jī)；所述主控電路產(chǎn)生門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)同源，門控觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器，隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)發(fā)給窄脈沖光源，主控電路對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的有效光計(jì)數(shù)以及無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖；所述窄脈沖光源接收主控電路輸出的隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生光脈沖，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值，然后將隨機(jī)光脈沖接到待測(cè)單光子探測(cè)器的光輸入端口；上位機(jī)與主控電路相連，用于設(shè)置測(cè)試參數(shù)、下發(fā)測(cè)試指令、讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得包括暗計(jì)數(shù)概率、探測(cè)效率、后脈沖概率、有效門寬參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于：包括：主控電路、窄脈沖光源、上位機(jī)；所述主控電路產(chǎn)生門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，門控觸發(fā)信號(hào)以及隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)同源，門控觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器，隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)發(fā)給窄脈沖光源，主控電路對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的有效光計(jì)數(shù)以及無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖；所述窄脈沖光源接收主控電路輸出的隨機(jī)光源觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生光脈沖，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值，然后將隨機(jī)光脈沖接到待測(cè)單光子探測(cè)器的光輸入端口；上位機(jī)與主控電路相連，用于設(shè)置測(cè)試參數(shù)、下發(fā)測(cè)試指令、讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得包括暗計(jì)數(shù)概率、探測(cè)效率、后脈沖概率、有效門寬參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。2.如權(quán)利要求1所述的一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于：通過所述窄脈沖光源內(nèi)的光強(qiáng)控制裝置，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值。3.如權(quán)利要求1所述的一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于：所述單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置還包括連接在窄脈沖光源出口的光衰減器，通過控制光衰減器，使每脈沖平均光子數(shù)達(dá)到單光子水平的設(shè)定值。4.如權(quán)利要求1所述的一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于：所述主控電路包括系統(tǒng)時(shí)鐘、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、門控延時(shí)模塊、門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、符合延時(shí)模塊、符合計(jì)數(shù)模塊、反符合計(jì)數(shù)模塊；系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生測(cè)試時(shí)用的兩路時(shí)鐘信號(hào)，一路發(fā)送給門控延時(shí)模塊，一路發(fā)送給偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，兩路時(shí)鐘信號(hào)同源；門控延時(shí)模塊根據(jù)設(shè)定的門控延時(shí)值對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，將延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送給門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊；門控觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)所收到的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)刻的門控觸發(fā)信號(hào)，并將其發(fā)送給待測(cè)單光子探測(cè)器；偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器根據(jù)所收到的時(shí)鐘信號(hào)及設(shè)定的觸發(fā)密度，在相應(yīng)時(shí)刻生成偽隨機(jī)數(shù)，并將其發(fā)送給光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)、符合延時(shí)模塊；光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊依照規(guī)則向窄脈沖光源發(fā)送光源觸發(fā)信號(hào)；符合延時(shí)模塊根據(jù)設(shè)定的符合延時(shí)值對(duì)偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，將延時(shí)后的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)送給符合計(jì)數(shù)、反符合計(jì)數(shù)模塊；符合計(jì)數(shù)模塊對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)和偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行符合計(jì)數(shù)，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的有效光計(jì)數(shù)；反符合計(jì)數(shù)模塊對(duì)收到的待測(cè)單光子探測(cè)器的探測(cè)器計(jì)數(shù)信號(hào)和偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行反符合計(jì)數(shù)，得到待測(cè)單光子探測(cè)器的無效計(jì)數(shù)：暗計(jì)數(shù)、后脈沖。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單光子探測(cè)器的測(cè)試裝置，其特征在于，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的為二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)，設(shè)定的觸發(fā)密度是指所產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)中1或0所占的百分比，當(dāng)二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)為1時(shí)，光源觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊向窄脈沖光源發(fā)送光源觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)為0時(shí)不發(fā)送。6.一種使用權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的單光子探測(cè)器的測(cè)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚海濤，江曉，張海亭，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：科大國盾量子技術(shù)股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34