一种光子数分辨增强激光通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光子数分辨增强激光通信系统及方法，系统包括控制器、波形发生器、脉冲激光源、可调衰减器、阵列超导纳米线单光子探测器、功率放大器、功率合成器、模数转换器和示波器，控制器对需要输出的数据进行编码调制，并输入至波形发生器，波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号输出至脉冲激光源，脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，然后经过可调衰减器输入阵列超导纳米线单光子探测器，经过功率放大器和功率合成器后输出具备光子数分辨的信号，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来。本发明专利技术极大地降低由于外部光学空间噪声和超导探测器自有暗噪声带来的误码干扰，使得误码率逼近光通信的自有光量子误码极限。

A photon number resolution enhanced laser communication system and method

【技术实现步骤摘要】
一种光子数分辨增强激光通信系统及方法
本专利技术涉及量子探测、激光通信、卫星通信、阵列超导单光子探测
、深空通信领域，特别是涉及一种光字数分辨增强激光通信系统及方法。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)于2000年由Gol’tsman等人在前人的理论基础上首次制备获得。为了增大探测面积，提高探测器的效率，目前常见的SNSPD结构都是由超导材料薄膜(氮化铌(NbN)、钨硅(WSi)、铌钛氮(NbTiN)等)通过电子束曝光(EB)和反应离子刻蚀(RIE)等微加工手段制作成蜿蜒线结构。与其他单光子探测器相比，超导纳米线单光子探测器具有许多优越的性能，例如高达90％的探测效率，低至10-4s-1的暗计数，15ps左右的时间抖动，最大计数率高达300MHz，灵敏度高(低于0.01photonperpulse)，以及从可见光到远红外光的宽波段响应等。自1905年爱因斯坦解释光电效应而提出光量子的假说以来，光子的概念促进了理论物理和实验物理在多个领域取得了巨大的进展。目前，国际上众多科研组织正积极开展高效率、高速、高分辨率的大阵列SNSPD研究，以其高效率来满足信息领域尤其是量子密钥分配技术上需要通过对信道中传输的光子的量子态进行准确的探测要求，从而保证通信的绝对安全性。近几年，我们国家在空间探测领域取得快速发展，北斗系列、嫦娥系列卫星相继升空，开展了一系列的外太空任务：火星探测、月球背面探测以及最近火热的引力波探测等，而火箭发射、卫星变轨定轨、登月车登陆、传输探测信息等一系列操作均由地面基站控制，这使得远距离深空通信技术的作用愈发凸显。自由空间光通信相比传统微波无线电通信具有更高的码率，但该技术需要探测经过远距离传输和大气衰减的微弱光信号，传统的半导体材料单光子探测器(如：光电倍增管和盖革模式的雪崩光电二极管)不具备这么高的灵敏度，无法实现深空通信这一要求。SNSPD具有高效率和高灵敏度的优点，可以在地面上作为激光接收体实现深空通信。但使用SNSPD来实现深空通信也依旧存在着受空间自由光干扰噪声、探测器本身暗噪声和光子数量子分布限制，所以实现较低的光通信误码率技术对于开展深空领域探测显得尤为重要。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种光子数分辨增强的高速超导光通信技术，来解决光通信中存在的较高误码率，为实现要求极低误码率的深空通信提供实验上的模拟论证。同时将贝叶斯估计算法应用到该光通信系统误码率研究中，验证了该工作模式与算法的可行性。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种光子数分辨增强激光通信系统，包括控制器、波形发生器、脉冲激光源、可调衰减器、阵列超导纳米线单光子探测器、功率放大器、功率合成器、模数转换器和示波器，控制器将需要输出的数据转化为二进制并进行编码调制，然后将编码信息导入波形发生器，波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号输出至脉冲激光源，使脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，光脉冲信号经过可调衰减器输入阵列超导纳米线单光子探测器，阵列超导纳米线单光子探测器输出多路相互独立的电脉冲信号，经功率放大器和功率合成器后，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。可选的，阵列超导纳米线单光子探测器包含多个探测区域，每个探测区域并行工作，能够对同时入射的多个光子同时检测，具备光子数分辨能力。可选的，波形发生器输出的电脉冲信号，其中“1”代表有光子，“0”代表无光子。可选的，脉冲激光源输出的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号。本专利技术还提供了一种基于所述光子数分辨增强激光通信系统的通信方法，包括以下步骤：(1)控制器将需要传输的信息转化为二进制并进行编码调制，然后将编码信息导入波形发生器；(2)波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号，然后输入脉冲激光源，脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号；(3)光脉冲信号经由光纤输入至可调衰减器，可调衰减器将其衰减至单光子水平，后通过多模光纤耦合到阵列超导纳米线单光子探测器。(4)阵列超导纳米线单光子探测器对光脉冲信号处理，同时输出多路相互独立的电脉冲，经过功率放大器和功率合成器后，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。进一步的，步骤(3)中将波形发生器输出的电脉冲信号经过同轴线输送给脉冲激光源的外部触发接口，使脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号。进一步的，步骤(3)中将脉冲激光源产生的光脉冲信号经过光纤和可调衰减器衰减至单光子水平，并通过阵列超导纳米线单光子探测器外部室温的光纤耦合入射到低温下阵列超导纳米线单光子探测器；在外部偏压作用下，阵列超导纳米线单光子探测器的各路输出波形经过常温功率放大器放大后由功率合成器简并叠加为一路信号，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。进一步的，步骤(4)具体为：在激光通信中脉冲激光源发出的光脉冲中含有的光子数服从参数为μ(脉冲激光源单脉冲的平均光子数)的泊松分布，假定超导纳米线单光子探测器的效率为η，像元数目为N，为了简化分析，假定入射光子被平均分配到各个像元上，则单个像元在单个脉冲时间内入射的平均光子数为：则探测到n个光子的概率为：那么，对于单个像元，其探测到正确“1”码的概率，即探测到光子的概率Pcorrect_1为：N个像元中有k个像元能正确探测到“1”码的概率Pcorrect_1(k)为：通过公式(3)看出导致由正确“1”码变为“0”码的因素主要在于脉冲激光源单脉冲的平均光子数μ和探测器效率η两个参数；由于阵列超导纳米线单光子探测器存在暗计数，这将引起误码；超导纳米线单光子探测器探测到的暗计数中包括超导纳米线单光子探测器本征暗噪声和空间光学环境引入的背景光子；暗计数引起探测器响应的错误“1”码概率Perror_1为：其中，DCR为探测器每个像元的暗计数，f为脉冲激光源脉冲重复频率；假设探测器各像元的暗计数相同，探测器N个像元有k个像元产生错误“1”码的概率Perror_1(k)为：通过公式(5)可知，当k接近N时，探测器的k个像元同时产生错误“1”码的概率是很低的，这是因为空间背景噪声和探测器本征暗噪声具有随机性，不具备时间上的相干；采取将多个脉冲响应看作正确“1”码的措施来降低由噪声导致的“0”码变为“1”码的误码情况，则探测器的k个像元探测到正确的“0”码概率Pcorrect_0(k)为：假设调制的信号中，“1”码和“0”码的占比分别p1、p2；则k个像元探测到正确码元的概率Pcorrect为：Pcorrect＝p1×Pcorrect_1(k)+p2×Pcorrect_0(k)(7)；则整个激光通信系统的误码率Perror表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子数分辨增强激光通信系统，其特征在于，包括控制器、波形发生器、脉冲激光源、可调衰减器、阵列超导纳米线单光子探测器、功率放大器、功率合成器、模数转换器和示波器，控制器将需要输出的数据转化为二进制并进行编码调制，然后将编码信息导入波形发生器，波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号输出至脉冲激光源，使脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，光脉冲信号经过可调衰减器输入阵列超导纳米线单光子探测器，阵列超导纳米线单光子探测器输出多路相互独立的电脉冲信号，经功率放大器和功率合成器后，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种光子数分辨增强激光通信系统，其特征在于，包括控制器、波形发生器、脉冲激光源、可调衰减器、阵列超导纳米线单光子探测器、功率放大器、功率合成器、模数转换器和示波器，控制器将需要输出的数据转化为二进制并进行编码调制，然后将编码信息导入波形发生器，波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号输出至脉冲激光源，使脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，光脉冲信号经过可调衰减器输入阵列超导纳米线单光子探测器，阵列超导纳米线单光子探测器输出多路相互独立的电脉冲信号，经功率放大器和功率合成器后，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。


2.根据权利要求1所述的一种光子数分辨增强激光通信系统，其特征在于，阵列超导纳米线单光子探测器包含多个探测区域，每个探测区域并行工作，能够对同时入射的多个光子同时检测，具备光子数分辨能力。


3.根据权利要求1所述的一种光子数分辨增强激光通信系统，其特征在于，波形发生器输出的电脉冲信号，其中“1”代表有光子，“0”代表无光子。


4.根据权利要求1所述的一种光子数分辨增强激光通信系统，其特征在于，脉冲激光源输出的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号。


5.一种基于权利要求1-4任一项所述光子数分辨增强激光通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)控制器将需要传输的信息转化为二进制并进行编码调制，然后将编码信息导入波形发生器；
(2)波形发生器将编码信息转化为电脉冲信号，然后输入脉冲激光源，脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号；
(3)光脉冲信号经由光纤输入至可调衰减器，可调衰减器将其衰减至单光子水平，后通过多模光纤耦合到阵列超导纳米线单光子探测器。
(4)阵列超导纳米线单光子探测器对光脉冲信号处理，同时输出多路相互独立的电脉冲，经过功率放大器和功率合成器后，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。


6.根据权利要求5所述的一种基于光子数分辨增强激光通信系统的通信方法，其特征在于，步骤(3)中将波形发生器输出的电脉冲信号经过同轴线输送给脉冲激光源的外部触发接口，使脉冲激光源根据输入的电脉冲信号产生对应的光脉冲信号，其中高电平对应有光脉冲信号，低电平对应无光脉冲信号。


7.根据权利要求5所述的一种基于光子数分辨增强激光通信系统的通信方法，其特征在于，步骤(3)中将脉冲激光源产生的光脉冲信号经过光纤和可调衰减器衰减至单光子水平，并通过阵列超导纳米线单光子探测器外部室温的光纤耦合入射到低温下阵列超导纳米线单光子探测器；在外部偏压作用下，阵列超导纳米线单光子探测器的各路输出波形经过常温功率放大器放大后由功率合成器简并叠加为一路信号，最终信号经模数转换器整形后被示波器接收采集下来，并输入至控制器。


8.根据权利要求5所述的一种基于光子数分辨增强激光通信系统的通信方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
在激光通信中脉冲激光源发出的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，谭静柔，李响，张利剑，陈奇，张彪，赵清源，贾小氢，康琳，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32