一种单光子探测器的测试装置及其测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单光子探测器的测试装置，包括主控电路、窄脉冲光源、上位机；主控电路产生发送给待测单光子探测器的门控触发信号及发给窄脉冲光源的随机光源触发信号，并对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号进行处理，得到有效光计数及无效计数：暗计数、后脉冲；窄脉冲光源接收随机光源触发信号，产生光脉冲，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值，将随机光脉冲接到待测单光子探测器的光输入端口；上位机与主控电路相连。本发明专利技术还公开了使用该单光子探测器的测试装置进行测试的方法。本发明专利技术的优点在于：只需进行简单的设置，便能自动完成整个测试过程，能够在几分钟内完成对待测单光子探测器多个性能参数的测试，非常高效便捷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于单光子探测和量子保密通信领域，具体涉及一种单光子探测器的测试装置及其测试方法。
技术介绍
量子保密通信是量子通信技术在密码通信方面的重要应用，它通过传输单光子或者纠缠光子，实现量子状态的传递，从而完成通信。目前，基于单光子实现的量子通信技术，通常被称为量子密钥分发(QKD)技术，已经日臻成熟。该技术基于“海森堡测不准原理”和“量子不可复制原理”，使用每比特单光子传输随机数，由此发送端和接收端能够产生并共享随机数密钥。原理上，对QKD过程的任何窃听都必然会被发现。因此，QKD过程所产生的密钥具有理论上的无条件安全性。单光子探测技术可以广泛应用于量子密钥分发(QKD)、光纤通信、光纤传感等领域。目前，光通信波段的近红外单光子探测器主要以基于InGaAs/InP材料的雪崩光电二极管(APD)为探测元件。采用高于雪崩电压的偏置电压，使APD工作在“盖革”模式，这样即使是单个光子到达探测器，也能以一定概率触发APD的“自持雪崩”，产生较大的雪崩电流，该雪崩电流容易被后续电路所检测到，从而实现对单光子信号的探测。为了保证探测器对单光子信号的连续探测，必须在雪崩发生后、下一光子到达前淬灭该雪崩过程。通常采用门控模式淬灭雪崩过程，通过同步光子的到达时间，并仅在光子到达时刻提升APD偏置电压的方式，这样既能提升探测速率，又能降低暗计数概率。为了保证实际QKD过程所产生的密钥的安全性，通常对接收方的多台探测
器之间的探测效率、暗计数概率、后脉冲概率、有效门宽等性能参数的匹配有严格的要求。然而目前还缺少一种准确、高效、标准化、针对量子保密通信的单光子探测器的测试方法，各个厂商所提供的单光子探测器各参数的测试条件也很不一样，很不利于单光子探测器的批量检测、故障诊断以及QKD过程的整体性能估计等。比如，瑞士ID Quantique公司的ID201红外单光子探测器手册中给出的噪声指标(暗计数+后脉冲)是在2.5ns门宽、100kHz触发频率、无死时间的条件下测得的，单位为/ns，而QKD过程关心的是每门探测到的噪声概率，并且是在几十MHz甚至更高的触发频率、死时间为若干us的条件下；同样的，美国Princeton Lightwave公司的PGA-600单光子探测器也只给出了500kHz触发频率、无死时间条件下的后脉冲概率。因此，针对QKD过程所关心的一些性能参数，必须自行对单光子探测器进行测试。现有技术中，对暗计数概率的测试基本上没有问题，都是测试没有光的时候的计数，再扣除死时间的影响，最终得到单位时间内(每门或每秒)的暗计数概率。对于探测效率，现有技术中常用的测试方法是，测试单光子条件下(比如平均0.1光子/脉冲)的计数，再扣除暗计数、死时间以及多光子分布的影响后，得到探测效率。但是，这种方法没有扣除后脉冲的影响，也没有考虑高计数率下可能带来的其它负作用，例如，在高重复频率下，电路的噪声可能会急剧增加。对于后脉冲，由于它是由其它雪崩产生的，所以通常将其同探测效率同时测得，才比较准确。现有技术中，一种方法是在死时间内专门开一个门来测试雪崩过后不同时刻的后脉冲概率，然后再积分得到总的概率；由于后脉冲计数都很小，此种方法测得的误差会很大。还有一种方法是采用光脉冲的频率小于
探测器门触发的频率，然后再经过符合、反符合分别得到探测效率和噪声；但这种方法将发光时检测到的雪崩都算作光子计数，不是很准确，未扣除暗计数的影响。综上，现有技术中，缺少一种准确、高效、标准化、针对量子保密通信的单光子探测器的测试方法，且对探测效率、后脉冲的测试方法存在较大误差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种能够实现对单光子探测器的暗计数概率、探测效率、后脉冲概率、有效门宽等主要参数进行准确的自动化测试的单光子探测器的测试装置及其测试方法。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种单光子探测器的测试装置，包括：主控电路、窄脉冲光源、上位机；所述主控电路产生门控触发信号以及随机光源触发信号，门控触发信号以及随机光源触发信号所对应的时钟信号同源，门控触发信号发送给待测单光子探测器，随机光源触发信号发给窄脉冲光源，主控电路对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号进行处理，得到待测单光子探测器的有效光计数以及无效计数：暗计数、后脉冲；所述窄脉冲光源接收主控电路输出的随机光源触发信号，产生光脉冲，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值，然后将随机光脉冲接到待测单光子探测器的光输入端口；上位机与主控电路相连，用于设置测试参数、下发测试指令、读取测试数据，并对测试数据进行分析处理，获得包括暗计数概率、探测效率、后脉冲概率、有效门宽参数的测试结果。通常窄脉冲光源内部集成有光强控制装置，例如光衰减器，如果通过控制窄脉冲光源内部的光强控制装置能够使测试装置的输出光强与每脉冲平均光子数的设定值相对应，则不需要另加光衰减器，否则可以在窄脉冲光源后连接光衰减器，通过控制光衰减器，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值。具体的，所述主控电路包括系统时钟、伪随机数发生器、光源触发信号驱动模块、门控延时模块、门控触发信号驱动模块、符合延时模块、符合计数模块、反符合计数模块；系统时钟产生测试时用的两路时钟信号，一路发送给门控延时模块，一路发送给伪随机数发生器，两路时钟信号同源；门控延时模块根据设定的门控延时值对时钟信号进行相应的延时，将延时后的时钟信号发送给门控触发信号驱动模块；门控触发信号驱动模块根据所收到的时钟信号，产生相应时刻的门控触发信号，并将其发送给待测单光子探测器；伪随机数发生器根据所收到的时钟信号及设定的触发密度，在相应时刻生成伪随机数，并将其发送给光源触发信号驱动、符合延时模块；光源触发信号驱动模块依照规则向窄脉冲光源发送光源触发信号；符合延时模块根据设定的符合延时值对伪随机数进行相应的延时，将延时后的伪随机数发送给符合计数、反符合计数模块；符合计数模块对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号和伪随机数进行符合计数，得到待测单光子探测器的有效光计数；反符合计数模块对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号和伪随机数进行反符合计数，得到待测单光子探测器的无效计数：暗计数、后脉冲。作为更具体的技术方案，所述伪随机数发生器产生的为二进制伪随机数，
设定的触发密度是指所产生的二进制伪随机数中1或0所占的百分比，当二进制伪随机数为1时，光源触发信号驱动模块向窄脉冲光源发送光源触发信号，当二进制伪随机数为0时不发送。本专利技术还提供一种使用上述的单光子探测器的测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：步骤1、单光子探测器测试装置初始化，包括以下内容：(1)建立上位机和主控电路之间的数据连接；(2)设置测试参数，包括每脉冲平均光子数、测试频率、死时间周期数和触发密度；每脉冲平均光子数的设置应符合单光子探测器的实际使用条件，测试频率和死时间周期数根据实际需求进行设置，触发密度为伪随机数发生器所产生的二进制伪随机数中1或0所占的百分比；(3)使测试装置的输出光强与每脉冲平均光子数的设定值相对应；若对输出光强和光强控制装置(例如光衰减器)已进行过标定，则通过查表便快速得到与输出光强目标值对应的光强调节值(例如衰减值)，然后对光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光子探测器的测试装置，其特征在于：包括：主控电路、窄脉冲光源、上位机；所述主控电路产生门控触发信号以及随机光源触发信号，门控触发信号以及随机光源触发信号所对应的时钟信号同源，门控触发信号发送给待测单光子探测器，随机光源触发信号发给窄脉冲光源，主控电路对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号进行处理，得到待测单光子探测器的有效光计数以及无效计数：暗计数、后脉冲；所述窄脉冲光源接收主控电路输出的随机光源触发信号，产生光脉冲，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值，然后将随机光脉冲接到待测单光子探测器的光输入端口；上位机与主控电路相连，用于设置测试参数、下发测试指令、读取测试数据，并对测试数据进行分析处理，获得包括暗计数概率、探测效率、后脉冲概率、有效门宽参数的测试结果。

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测器的测试装置，其特征在于：包括：主控电路、窄脉冲光源、上位机；所述主控电路产生门控触发信号以及随机光源触发信号，门控触发信号以及随机光源触发信号所对应的时钟信号同源，门控触发信号发送给待测单光子探测器，随机光源触发信号发给窄脉冲光源，主控电路对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号进行处理，得到待测单光子探测器的有效光计数以及无效计数：暗计数、后脉冲；所述窄脉冲光源接收主控电路输出的随机光源触发信号，产生光脉冲，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值，然后将随机光脉冲接到待测单光子探测器的光输入端口；上位机与主控电路相连，用于设置测试参数、下发测试指令、读取测试数据，并对测试数据进行分析处理，获得包括暗计数概率、探测效率、后脉冲概率、有效门宽参数的测试结果。2.如权利要求1所述的一种单光子探测器的测试装置，其特征在于：通过所述窄脉冲光源内的光强控制装置，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值。3.如权利要求1所述的一种单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述单光子探测器的测试装置还包括连接在窄脉冲光源出口的光衰减器，通过控制光衰减器，使每脉冲平均光子数达到单光子水平的设定值。4.如权利要求1所述的一种单光子探测器的测试装置，其特征在于：所述主控电路包括系统时钟、伪随机数发生器、光源触发信号驱动模块、门控延时模块、门控触发信号驱动模块、符合延时模块、符合计数模块、反符合计数模块；系统时钟产生测试时用的两路时钟信号，一路发送给门控延时模块，一路发送给伪随机数发生器，两路时钟信号同源；门控延时模块根据设定的门控延时值对时钟信号进行相应的延时，将延时后的时钟信号发送给门控触发信号驱动模块；门控触发信号驱动模块根据所收到的时钟信号，产生相应时刻的门控触发信号，并将其发送给待测单光子探测器；伪随机数发生器根据所收到的时钟信号及设定的触发密度，在相应时刻生成伪随机数，并将其发送给光源触发信号驱动、符合延时模块；光源触发信号驱动模块依照规则向窄脉冲光源发送光源触发信号；符合延时模块根据设定的符合延时值对伪随机数进行相应的延时，将延时后的伪随机数发送给符合计数、反符合计数模块；符合计数模块对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号和伪随机数进行符合计数，得到待测单光子探测器的有效光计数；反符合计数模块对收到的待测单光子探测器的探测器计数信号和伪随机数进行反符合计数，得到待测单光子探测器的无效计数：暗计数、后脉冲。5.根据权利要求4所述的一种单光子探测器的测试装置，其特征在于，所述伪随机数发生器产生的为二进制伪随机数，设定的触发密度是指所产生的二进制伪随机数中1或0所占的百分比，当二进制伪随机数为1时，光源触发信号驱动模块向窄脉冲光源发送光源触发信号，当二进制伪随机数为0时不发送。6.一种使用权利要求1至5任一项所述的单光子探测器的测...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚海涛，江晓，张海亭，
申请(专利权)人：科大国盾量子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34