基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，包括激光器、光纤环形器、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。本实用新型专利技术能够提高探测距离，空间分辨率以及减少测量时间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，包括激光器、光纤环形器、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。本技术能够提高探测距离，空间分辨率以及减少测量时间。【专利说明】基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计
本技术涉及光时域反射计，具体是基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，主要应用于长距离和高精度的光纤诊断、监控和分布式光纤传感网络。
技术介绍
光时域反射计(opticaltime-domain reflectometer, 0TDR)利用探测光在光纤中产生的后向散射与在不连续界面处的菲涅耳反射来获取信息，从而可用于测量铺设光纤的衰减系数、连接处的损耗及位置、光纤折断等故障点的定位等，同时由于OTDR使用单端口测量，测试人员在光纤一端即可以了解几十公里长光纤链路的基本情况，因此OTDR是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。通过滤波和相干检测等技术提取出后向散射中的布里渊散射信号或者拉曼散射信号，OTDR技术还可以实现对于温度和应力的分布式光纤传感。在OTDR应用中，探测器的灵敏度和时间精度决定了系统的动态范围和空间分辨率。常用的OTDR系统使用模拟探测器，如半导体PIN管来探测微弱的反射信号。此类探测器将入射光的强度转化成为电流或者电压的幅度输出。为了更加灵敏的检测微弱信号，通常需要增加积分器的积分时间，但同时又会降低探测器的带宽从而影响空间分辨率。计数型的OTDR使用InGaAs材料的雪崩管，此探测器具有单光子探测能力，通过在时间上统计计数值来表征待探测光的强度。此种计数型的OTDR克服了计数器带宽的限制，并将探测器的灵敏度提高到单光子量级，因此可以实现长距离和高精度的光纤测量。但是，计数型的OTDR使用的雪崩管存在死时间(dead time)久，时间抖动(timing jitter)长，后脉冲(afterpulsing)效应强的问题，同时为了达到较低的噪声等效功率，需要工作在门控模式下限制暗计数，从而影响测量时间。
技术实现思路
技术目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本技术的目的是提供一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，能够提高探测距离，空间分辨率以及减少测量时间。技术方案:为实现上述技术目的，本技术采用的技术方案为一种基于超导纳米线单光子探测器(简称“探测器”)的光时域反射计，包括激光器、光纤环形器(简称“环形器”)、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。进一步的，所述激光器为脉冲激光器。进一步的，所述激光器为连续光激光器，还包括连接于所述连续光激光器和光纤环形器之间的声光调制器或者电光调制器，将连续光调制成为脉冲光。进一步的，还包括连接所述激光器的脉冲信号发生器。所述声光调制器或者电光调制器，其调制使用的电信号需要与测量系统时间同步，可以使用脉冲信号发生器等仪器对于系统全局时序进行控制。进一步的，所述超导纳米线单光子探测器采用光纤耦合方式封装。进一步的，还包括制冷装置，所述超导纳米线单光子探测器置于制冷装置中。更进一步的，所述制冷装置为吉福德-麦克马洪循环制冷机(Gifford-McMahon cyclerefrigerator)。进一步的，还包括偏置电路和读出电路，所述偏置电路和读出电路分别通过宽带偏置器(简称“偏置器”)连接至超导纳米线单光子探测器。进一步的，所述偏置电路选择恒流偏置方式或者门控偏置方式，其中恒流偏置方式使用恒压源串联电阻方式实现，门控偏置方式使用脉冲信号发生器串联电阻方式实现。更进一步的，当待测量光纤长度较长(大于50km)时，后向散射光的强度动态范围大，使用门控偏置方式，通过降低探测器的效率来保证探测器不饱和；当光纤长度较短时，由于探测器自身的动态范围已经足够宽，因此使用恒流偏置方式就可以实现基本测量。进一步的，所述读出电路使用宽带射频放大器(简称“放大器”)将所述超导纳米线单光子探测器输出的脉冲放大。进一步的，所述采集仪器为时间相关单光子计数器(简称“计数器”)或时间间隔分析仪或高速示波器或数据采集卡。进一步的，所述采集仪器读出的脉冲处理后得到OTDR测试曲线(简称“0TDR曲线”)，所述OTDR曲线的横坐标为由计数脉冲相对起始时刻的时间量转换为相对起始位置的空间距离量，其纵坐标为由采集仪器获得的计数值转换为计数值的相对于起始时刻计数值的dB量。有益效果:本技术通过使用超导纳米线单光子探测器(SNSPD)对计数型的OTDR进行改进，并采用光子计数的方式处理信号，提供了一种新的光时域反射计。相比之下，SNSF1D具有更低的噪声等效功率,暗计数低,死时间(dead time)小于10ns,时间抖动(timing jitter)小于50ps,基本无后脉冲(afterpulsing)效应，同时,探测器工作在常开模式。因此，本技术提出的基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计可以提高光纤测量距离，实现长距离(100km以上)的光纤测量，提升测量空间分辨率，具有毫米量级的空间分辨率，减少测量时间。【专利附图】【附图说明】图1为本技术实施例一的结构示意图；图2为本技术实施例一的长距离测试结果图；图3为本技术实施例二的结构示意图；图4为本技术实施例二的高精度测试结果图。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本技术，应理解这些实施例仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围，在阅读了本技术之后，本领域技术人员对本技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本技术中，由激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器另一端口接入探测器。探测器使用SNSPD芯片，并使用光纤耦合模式封装，封装好的探测器被置于制冷装置中进行降温至其工作温度。SNSro芯片通过偏置电路调节其探测效率和暗计数至最低噪声等效功率处，其输出的脉冲经过放大器放大后被采集仪器读出，并处理成为OTDR曲线。与目前已有的OTDR系统不同之处在于，本技术采用了噪声等效功率低和时间抖动小的SNSro作为探测器(图1、图3中为“SNSH)探测系统”)，在数据采集和处理上采用了单光子时间相关计数技术。进一步的，所述激光器可以采用多种形式，例如:使用脉冲激光器直接发出脉冲光，或者使用连续光激光器(图1中为“连续光源”)，经过声光调制器或者电光调制器，将输出的连续光调制成为脉宽可调的脉冲光。进一步的，所述光脉冲的强度，脉冲宽度，以及脉冲的重复周期需要根据待测量光纤灵活调整，综合考虑OTDR探测距离，空间分辨率和测量时间，选择最优化的参数。进一步的，所述待测量光纤通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵清源，陈健，张蜡宝，康琳，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：实用新型
国别省市：