一种单光子探测器系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种单光子探测器系统及控制方法，其包括依次连接的1×N光开关、单光子探测器组、信号汇聚单元，以及与其连接的控制器；通过1×N光开关，将输入端高码速率的串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，由N个相同性能的单光子探测器单元并行工作分别将N路并行的光信号转换为N个并行的电信号，再经过信号汇聚单元，实现电信号的并串变换，恢复输出单光子探测结果，来解决单光子探测器死时间的限制问题，进而提高单光子探测器系统的最大计数率，克服了高速单光子探测器的技术与经济性的限制问题。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子探测器系统及控制方法
本专利技术涉及量子物理工程应用领域，具体涉及一种单光子探测器系统及控制方法。
技术介绍
单光子探测技术((singlephotondetector/detection，SPD)作为极限灵敏度的光信号测量技术，在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用，成为了量子信息领域不可或缺的核心关键技术；单光子探测器件用于基于单个光子探测将光信号转换成电信号，由于量子信息技术利用单个基本粒子对信息进行编码和操控，因此对单光子探测器有极其苛刻的性能要求，如探测效率、计数率、死时间等，远超出现有器件所能实现的性能指标。单光子探测器从接收光子到产生电响应输出需要一定的时间，在该时间段内无法进行光子探测。两次正常探测与处理光子脉冲事件的最小间隔时间称为死时间。死时间是制约单光子探测器件输出码速率的核心指标之一。最大计数率是单光子探测器件能响应的光子脉冲最高重复频率。计数率和死时间通常成反比，最大计数率决定输出码速率。为了满足日益增长的需求，本领域研究人员不断地探索新的单光子探测技术的同时，也在努力改进传统的单光子探测器。现有技术中通过优化单光子探测器的直流偏置电压、工作温度、门脉冲的幅度和宽度等参数，通过降低探测器后脉冲概率降低死时间；其中优化参数采用初始化设定各个参数的初始值，固定其余参数，递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，以中间值为参数进行探测，根据测量结果数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。这种技术方案虽然能达到缩短探测死时间的效果，但通过优化各参数降低死时间，操作复杂，易产生误差，且成本较高，不适合应用化发展。因此亟需提供一种科学、简便、适合应用化发展的单光子探测器系统及控制方法以缩短探测死时间。因此，如何缩短死时间，是提高单光子探测器件性能是亟需解决的问题，需要提供一种新型实用化的单光子探测器系统及控制方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种单光子探测器系统及控制方法，其目的是通过包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)的系统控制N个性能相同的单光子探测器件并行工作，在保证不降低每个单光子探测器件探测效率的前提下，缩短整个系统的探测死时间。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种单光子探测器系统，其特征在于，所述系统包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)；所述1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)依次连接；所述控制器(4)分别与1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)连接；所述1×N光开关(1)，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组(2)，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；所述信号汇聚单元(3)，用于完成电信号的并/串转换；所述控制器(4)，用于控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)功能的执行。优选地，所述1×N光开关(1)与所述单光子探测器组(2)通过N根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组(2)与所述信号汇聚单元(3)通过N根相同类型相同长度的电缆连接，N取正整数。进一步地，所述1×N光开关(1)为机械式光开关、波导光开关或微机电系统光开关。优选地，所述单光子探测器组(2)由N个相同的单光子探测器单元并行排列组成，N取正整数；所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成；所述单光子探测器为光电倍增管、雪崩光电二极管、增强型光电极管、微通道板、微球板、真空光电二极管、频率上转换单光子探测器、量子点单光子探测器或超导单光子探测器。优选地，所述信号汇聚单元(3)由N×1电开关或者并/串转换单元组成；所述N×1电开关是旋转式的微机电系统N×1电开关；所述并/串转换单元包括依次连接的缓存和并/串转换器，所述缓存接收单光子探测器组(2)的N路并行电信号，所述并/串转换器，用于将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×N×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间。优选地，所述控制器(4)包括内置时钟和外部接口；所述内置时钟的时钟源包括恒温晶振、原子钟；所述外部接口包括IRIG-B码时钟信号输入接口、RS232管理接口。优选地，其特征在于，所述方法包括：将1路高速串行光脉冲信号输入至1×N光开关(1)，利用1×N光开关(1)将1路高速串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，并通过所述光纤发送给单光子探测器组(2)，其中，N取正整数；利用单光子探测器组(2)将N路并行的光信号转换为N路并行的电信号，并通过所述电缆发送给信号汇聚单元(3)；信号汇聚单元(3)完成输入电信号的并/串转换，将N路并行的电信号转换为1路串行的电信号，其中，N取正整数。优选地，所述1×N光开关(1)将1路串行的光信号中每N个串行光脉冲转换为N路并行的光信号，其中，N路并行的光信号中每路对应1个光脉冲。优选地，所述信号汇聚单元(3)通过并/串转换器将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号，其中，输入端的N路并行的电信号中每路对应1个电信号。优选地，所述控制器(4)为1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)提供时钟信号和控制信号；控制器(4)通过时钟信号控制光开关的导通时间为只通过1个光脉冲的时间，工作频率和相位与光脉冲同步，保证每个光脉冲在开关导通时间间隔的中点左右通过光开关；控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)的工作周期相同且保持工作频率和相位同步；控制器(4)通过控制信号控制1×N光开关(1)输出端的第x路光信号输入给单光子探测器组(2)作为单光子探测器单元x的输入电信号；经单光子探测器组(2)后转换成第x路电信号输出给信号汇聚单元(3)作为信号汇聚单元(3)输入端的第x路电信号，其中1≤x≤N。与现有技术相比，本专利技术具有如下8项有益效果：其一，本专利技术采用的技术方案，通过性能相同的N个单光子探测器件并行工作，不降低每个单光子探测器件探测效率，来缩短整个系统的探测死时间，整个系统的探测死时间是单个单光子探测器件的N分之一。其二，本专利技术采用的技术方案，提高了单光子探测器系统的最大计数频率，单光子探测器系统的最大计数频率是单个单光子探测器件的N倍，同时保证不降低探测效率；集成创新，优化了系统性能指标。其三，本专利技术采用的技术方案，采用1×N光开关，输入端将高码速率串行光脉冲信号转换为低码速率的N路并行的光脉冲信号，由N个相同性能的单光子探测器单元分别转换为N个并行的电信号，再经过N路信号汇聚合一单元，实现电信号的并/串变换，恢复输出单光子探测结果；在灵敏度不降低的情况下，能够正常探测N倍于单个单光子探测器件允许的光脉冲信号流速率的单光子，达到了提高单光子探测器系统的输出码速率的效果。其四，本专利技术采用的技术方案，通过N个低速的廉价的单光子探测器代替1个高速的昂贵单光子探测器，解决了高计数率的单光子探测器件不但价格高而且受到国外高技术封锁的限制问题，具有经济性和实用性。其五，本专利技术采用的技术方案，通过N个相同性能的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子探测器系统，其特征在于，所述系统包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)；所述1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)依次连接；所述控制器(4)分别与1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)连接；所述1×N光开关(1)，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组(2)，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；所述信号汇聚单元(3)，用于完成电信号的并/串转换；所述控制器(4)，用于控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)功能的执行。

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测器系统，其特征在于，所述系统包括1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)、信号汇聚单元(3)和控制器(4)；所述1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)依次连接；所述控制器(4)分别与1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)连接；所述1×N光开关(1)，用于完成光信号的串/并转换；所述单光子探测器组(2)，用于将并行的光信号转换为并行的电信号；所述信号汇聚单元(3)，用于完成电信号的并/串转换；所述控制器(4)，用于控制1×N光开关(1)、单光子探测器组(2)和信号汇聚单元(3)功能的执行。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述1×N光开关(1)与所述单光子探测器组(2)通过N根相同类型相同长度的光纤连接，所述单光子探测器组(2)与所述信号汇聚单元(3)通过N根相同类型相同长度的电缆连接，N取正整数。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述1×N光开关(1)为机械式光开关、波导光开关或微机电系统光开关。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单光子探测器组(2)由N个相同的单光子探测器单元并行排列组成，N取正整数；所述单光子探测器单元是独立的单光子探测器或单光子探测器阵列；所述单光子探测器阵列由相同的单光子探测器并行排列组成；所述单光子探测器为光电倍增管、雪崩光电二极管、增强型光电极管、微通道板、微球板、真空光电二极管、频率上转换单光子探测器、量子点单光子探测器或超导单光子探测器。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号汇聚单元(3)由N×1电开关或者并/串转换单元组成；所述N×1电开关是旋转式的微机电系统N×1电开关；所述并/串转换单元包括依次连接的缓存和并/串转换器，所述缓存接收单光子探测器组(2)的N路并行电信号，所述并/串转换器，用于将N路并行的电信号转换成1路串行的电信号；其中，每路的缓存深度为2×N×Δτ，Δτ是所述单光子探测器的死时间。6.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗浡瑞，苗新，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网北京经济技术研究院，苗浡瑞，
类型：发明
国别省市：北京,11