一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，具体涉及一种一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置。

背景技术

在量子保密通讯中，单光子探测器是用来探测量子光，并将其转换成电信号，最终来表征量子光所携带的动态信息；探测效率、后脉冲是表征一个探测器性能的重要参数，特别在量子保密通讯中，探测器的探测效率会作为一个恒定量影响到原始密钥生成速率，最终影响安全密钥成码量。

目前常用的单光子探测器探测效率的标定步骤是连接激光器、光功率计，设置相应的激光器重复频率脉宽，再通过光功率计观察此时的光功率；根据光功率计的数值，反推可调衰减器的衰减值，然后连接单光子探测器，进行标定；但是用这种方法进行标定时，由于可调衰减器衰减存在误差，尤其单光子标定时，衰减会超过100dBm，可调衰减器工作在非线性区域，很容易随温度等条件波动；同时，该方法不能实时监控光源，激光器本身易受温度、磁场等环境的影响造成光功率的波动，且由于外接光纤需要重复插拔，一旦光纤端面污染或者压折，都很容易影响最后的标定结果。

发明内容

为了解决现有技术中标定的准确性较差，标定结果不可信的问题，本发明提供一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置，包括：扇出电路、计数模块、触发电路、驱动电路、激光器、分束器、固定衰减器、可调衰减器、光电二极管和微型处理器；扇出电路对外触发信号进行整形，并将整形信号分别发送至计数模块和触发电路；计数模块用于读取信号的触发频率；触发电路将整形信号发送至驱动电路，控制激光器发送光信号；分束器将激光器发送的光信号分为第一光信号和第二光信号；第一光信号经过固定衰减器和可调衰减器进行衰减处理后输出弱相干光源；光电二极管将第二光信号转化为电信号后传输至微处理器；微处理器根据接收到的电信号计算衰减值，通过数模转换器控制可调衰减器的衰减值。本发明装置避免了繁琐的光路、电路连接过程，所需陪测仪器更少，标定效率更高。

本发明采用如下技术方案，一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置，包括：扇出电路、计数模块、触发电路、驱动电路、激光器、分束器、固定衰减器、可调衰减器、光电二极管和微型处理器；

所述扇出电路对外触发信号进行整形，并将整形信号分别发送至计数模块和触发电路；

所述计数模块用于读取信号的触发频率；

所述触发电路将整形信号发送至驱动电路，控制激光器发送光信号；

所述分束器将激光器发送的光信号分为第一光信号和第二光信号；

所述第一光信号经过固定衰减器和可调衰减器进行衰减处理后输出弱相干光源；

所述光电二极管将第二光信号转化为电信号后传输至微处理器；

所述微处理器根据接收到的电信号计算衰减值，通过数模转换器控制可调衰减器的衰减值。

进一步的，所述弱相干光源装置还包括时钟信号源模块；

所述时钟信号源模块用于通过内触发方式控制激光器发送光信号。

进一步的，所述触发电路接收整形信号后还输出同步信号。

进一步的，所述微处理器还可以通过数模转换器控制激光器的参数；

所述激光器的参数包括：温度、PD电压和偏置电压。

进一步的，所述弱相干光源装置固定在一块铝板上，所述微处理器通过TEC温控模块控制铝板温度。

进一步的，所述微处理器根据接收到的电信号计算衰减值，包括：

判断触发电路接收到的信号类型，当信号类型为外触发信号时，读取计数模块中信号的触发频率，将触发频率代入微处理器中保存的衰减值计算公式中计算可调衰减器的衰减值；

当信号类型为内触发信号时，微处理器根据保存的衰减值计算公式计算可调衰减器的衰减值。

进一步的，所述弱相干光源装置还包括光源反馈控制系统；

所述光源反馈控制系统具体包括：读取激光器发送光信号的光强，判断光强波动是否小于第一阈值，当小于第一阈值时，弱相干光源装置正常运行；

当光强波动大于第一阈值时，判断触发电路接收到的信号类型；

当信号类型为内触发信号时，对弱相干光源装置中的参数进行自检，自检通过后重新运行弱相干光源装置；

当信号类型为外触发信号时，读取计数模块中触发频率的波动值，判断触发频率的波动值是否小于第二阈值；

当触发频率的波动值小于第二阈值时，对弱相干光源装置中的参数进行自检，自检通过后重新运行弱相干光源装置；

当触发频率的波动值大于第二阈值时，对弱相干光源装置的进行连接检测，检测完成后再次判断触发频率的波动值，若仍大于第二阈值，弱相干光源装置停止工作。

进一步的，所述弱相干光源装置标定单光子探测器时，包括：

所述弱相干光源与单光子探测器连接；

所述同步信号与单光子探测器连接；

单光子探测器的探测输出信号与弱相干光源装置中的计数模块连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明装置继承了标定所需的电子学、光学模块，避免了标定单光子探测器中繁琐的光路、电路连接过程，所需的陪测仪器设备更少，大大提升了标定效率；

2.弱相干光源的衰减值计算过程较为繁琐，本发明将此计算过程放在设备内的微型处理器中处理，避免人工误差，标定过程更加简洁；

3.本发明增加光源反馈系统，实时监控光源，并调节激光器光源与可调衰减器衰减值，保证的弱相关光源的稳定性，从而提高标定的准确性；

4.本发明将光学模块与电学模块放在同一机箱内，并对整个机箱底部铝板进行温度控制，进一步保证了弱相干光源的稳定性，提高标定的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置结构示意图；

图2为本发明实施例的一种衰减值计算流程示意图；

图3为本发明实施例的一种光源反馈控制系统流程示意图；

图4为本发明实施例的一种使用弱相干光源产生装置标定单光子探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

现有标定单光子探测器的步骤为：首先，使用信号源触发激光器并设置合适的脉宽与延时使其发光，再触发单光子探测器控制其开门频率，使用光功率计观测此时平均光功率，记下此功率值，去掉光功率计，再接可调衰减器，人工计算此时应该调节的衰减，并调节衰减器，再用此衰减值来标定单光子探测器，单光子探测器的探测输出连接计数器进行计数标定。

如图1所示，给出了本发明实施例的一种用于标定单光子探测器的弱相干光源装置结构示意图，包括：扇出电路、计数模块、触发电路、驱动电路、激光器、分束器、固定衰减器、可调衰减器、光电二极管、光电转换电路、微型处理器以及数模转换器；

扇出电路对外触发信号进行整形，并将整形信号分别发送至计数模块和触发电路；计数模块用于读取信号的触发频率；触发电路将整形信号发送至驱动电路，控制激光器发送光信号；分束器将激光器发送的光信号分为第一光信号和第二光信号；第一光信号经过固定衰减器和可调衰减器进行衰减处理后输出弱相干光源；光电二极管将第二光信号转化为电信号后传输至微处理器；微处理器根据接收到的电信号计算衰减值，通过数模转换器控制可调衰减器的衰减值。

弱相干光源装置还包括时钟信号源模块；时钟信号源模块用于通过内触发方式控制激光器发送光信号。触发电路接收整形信号后还输出同步信号；微处理器还可以通过数模转换器控制激光器的参数，激光器的参数包括：温度、PD电压和偏置电压；弱相干光源装置固定在一块铝板上，微处理器通过TEC温控模块控制铝板温度。

微处理器根据接收到的电信号计算衰减值，包括：判断触发电路接收到的信号类型，当信号类型为外触发信号时，读取计数模块中信号的触发频率，将触发频率代入微处理器中保存的衰减值计算公式中计算可调衰减器的衰减值；当信号类型为内触发信号时，微处理器根据保存的衰减值计算公式计算可调衰减器的衰减值。

弱相干光源装置还包括光源反馈控制系统；光源反馈控制系统具体包括：读取激光器发送光信号的光强，判断光强波动是否小于第一阈值，当小于第一阈值时，弱相干光源装置正常运行；当光强波动大于第一阈值时，判断触发电路接收到的信号类型；当信号类型为内触发信号时，对弱相干光源装置中的参数进行自检，自检通过后重新运行弱相干光源装置；当信号类型为外触发信号时，读取计数模块中触发频率的波动值，判断触发频率的波动值是否小于第二阈值；当触发频率的波动值小于第二阈值时，对弱相干光源装置中的参数进行自检，自检通过后重新运行弱相干光源装置；当触发频率的波动值大于第二阈值时，对弱相干光源装置的进行连接检测，检测完成后再次判断触发频率的波动值，若仍大于第二阈值，弱相干光源装置停止工作。

弱相干光源装置标定单光子探测器时，包括：弱相干光源与单光子探测器连接；同步信号与单光子探测器连接；单光子探测器的探测输出信号与弱相干光源装置中的计数模块连接。

在一个具体实施例中，弱相干光源装置通过外触发信号进入扇出电路，该电路对外触发信号进行整型，并送入计数器进行计数；触发电路将整型的信号送入后续驱动电路来触发激光器进行发光，并通过接口输出同步信号，可作为单光子探测器的开门信号，同时，弱相干光源装置内置时钟信号源模块，可使用内触发方式触发激光器发光。

激光器后接1：99的光分束器，其中1％的光信号连接固定衰减器与可调衰减器产生最终的弱相干光源；另外99％的光信号连接光电二极管经过光电转换电路转换成电信号，通过微型处理器进行光强的监控，微型处理器中包括标定弱相干光源的公式，微型处理器计算后，通过数模转换器来控制可调衰减器的衰减值。

微型处理器通过数模、模数转换模块可监控激光器的温度、PD电压、偏置电压等参数，并可以调节其温度、偏压、脉宽等，同时，微型处理器有良好的人机交互接口，可通过显示功能反馈装置的状态信息，并可以通过按键来调节内部参数。

进一步地，为了保证整个装置的稳定，本发明将装置中所有的电路、光路固定在一块铝板上，微型处理器通过TEC温控模块来控制整个铝板的温度，从而保证装置的环境适应性良好。

如图2所示，给出了本发明实施例的一种衰减值计算流程示意图，在一个具体实施例中，首先通过外触发方式触发弱相关光源装置发光，再将弱相关光源装置输出的弱相干光源连接单光子探测器，将装置中的同步输出信号也连接单光子探测器，将单光子探测器的探测输出信号连接至弱相干光源装置的计数模块中，即可进行标定。

如图2所示，衰减计算流程首先需要判断是否内触发，如果是内触发，即可直接通过公式计算衰减，如果是外触发，通过装置内的计数器模块读出当前信号的触发频率，再将该参数代入公式进行计算，衰减计算公式为：

其中，P为平均光功率，f为重复频率，PW为脉宽，T为周期，h为普朗克常量，约为6.63x10

进一步本实施例通过建立光源反馈控制系统，对弱相干光源装置中的光源进行检测，保证弱相干光源的稳定性，光源反馈控制系统的流程示意图如图3所示，通过光电转换电路读取激光器当前光强，由于采样误差等因素影响，光强有小幅波动，当光强波动在1％范围内，可根据公式直接设置EVOA衰减值，当光强波动大于1％，则判断其是否为内触发，如果是内触发，启动设备自检，自检参数包括激光器的温度，内置PD参数等，自检通过，再重新计算EVOA衰减值进行下发；如果是外触发，通过计数模块检测触发频率的波动，如果波动范围在±10％内，进行设备自检，自检通过再重新计算EVOA衰减值进行下发；需要说明的是，该波动范围阈值本实施例仅给出一个参考阈值，在使用时可根据实际情况重新设定；若自检未通过，提示用户检测信号源是否完好，连接线缆是否接触良好，如果外部信号没有良好，会产生告警，终止此次标定，同时，设备在任何状态下，自检未通过，均会给出告警信息并终止标定流程。

本实施例进一步使用同一只单光子探测器，在不同的温度下，使用弱相关光源进行标定，对比雪崩二极管的偏压与比较器的阈值，对比结果如表1所示：

表1

本实施例中弱相干光源设定参数：内触发，波长：1550.92nm，重复频率50MHz，脉宽200ps，平均光功率132uW，ATTALL＝110dBm；单光子探测器：探测效率10％，1光子/Pulse，死时间＝100ns，门宽＝1.4ns。通过对比可以看出，30℃温差下，本发明装置标定的雪崩电压偏差在±0.5％以内，阈值电压无偏差。

本实施例进一步使用同一只单光子探测器，使用弱相干光源完成标定后，在不同温度下，通过计数器读取其探测信号计数，计数结果如表2所示：

表2

本实施例中设定单光子探测器：探测效率10％，0.01光子/Pulse，死时间＝100ns，门宽＝1.4ns；可以看出，通过本发明装置标定探测器，在不同温度下偏差很小，而现有的标定方式偏差在10％左右，可见本发明提出的装置进行单光子探测器标定时大大提高了标定精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。