[发明专利]一种单光子探测器参数测量系统及方法

权利要求书

1.一种单光子探测器参数测量系统，包括光源模块、数据采集处理模块和显控模块：

光源模块用于产生单光子脉冲信号并输出给待测单光子探测器；

数据采集处理模块接收待测单光子探测器对单光子脉冲信号进行计数所产生的计数信号，并对计数信号进行分析计算，得到待测单光子探测器参数；

显控模块与数据采集处理模块相连接，用于进行人机交互；

其特征在于，还包括信号源及延时子模块；

所述信号源及延时子模块用于接收数据采集处理模块输出的控制信号，根据控制信号向光源模块输出时序发生信号控制光源模块产生单光子脉冲信号时间，同时向待测单光子探测器输出门控信号，控制待测单光子探测器开门时间，使单光子脉冲信号到达待测单光子探测器时间和待测单光子探测器开门时间一致；

所述数据采集处理模块包括控制及数据处理模块和时幅转换测量模块；

所述控制及数据处理模块连接信号源及延时子模块和显控模块，用于向信号源及延时子模块输出控制信息，从显控模块接收用户指令以及从显控模块输出待测单光子探测器参数；

所述信号源及延时子模块还用于根据控制及数据处理模块输出的控制信号向时幅转换测量模块输出开始信号，控制时幅转换测量模块开始计时；

所述时幅转换测量模块用于接收信号源及延时子模块输出的开始信号和接收待测单光子探测器输出的计数信号，在接收到待测单光子探测器输出的计数信号后，停止计时，同时根据开始计时时间和停止计时时间计算计时时长，并将计时时长信号输出给控制及数据处理模块；

所述控制及数据处理模块用于接收时幅转换测量模块输出的计时时长信号，并根据计时时长信号，分析计算得到待测单光子探测器参数；

所述光源模块包括光脉冲信号发生器、衰减模块、第一分束模块和监测模块；

所述光脉冲信号发生器用于接收信号源及延时子模块输出的时序发生信息，产生光脉冲信号并输出给衰减模块；

所述衰减模块用于接收光脉冲信号发生器输出的光脉冲信号，对光脉冲信号进行衰减处理后输出给第一分束模块；

所述第一分束模块用于接收衰减模块输出的光脉冲信号并将光脉冲信号分为两路，将一路光脉冲信号输出给监测模块，将另一路光脉冲信号作为单光子脉冲信号输出给待测单光子探测器；

所述监测模块用于接收第一分束模块输出的一路光脉冲信号，对光脉冲信号进行符合计数，得到符合计数结果，利用事先标定的符合计数结果与单光脉冲信号平均光子数的映射关系，映射得到单光脉冲信号平均光子数信息并输出给控制及数据处理模块；

所述监测模块包括第四分束模块、第一单光子探测器、第二单光子探测器和数据处理单元；

所述第四分束模块用于接收第一分束模块输出的光脉冲信号，并将光脉冲信号分为两路，将一路光脉冲信号输出给第一单光子探测器，将另一路光脉冲信号输出给第二单光子探测器；

所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于接收第四分束模块输出的光脉冲信号，对各自接收的光脉冲信号中的光子数进行光子计数探测，并将计数结果输出给数据处理单元；

所述数据处理单元用于接收第一单光子探测器输出的第一光子计数结果和第二单光子探测器输出的第二光子计数结果，并对第一光子计数结果和第二光子计数结果进行符合计数，得到符合计数结果，利用事先标定的符合计数结果与光子脉冲信号平均光子数的映射关系，映射得到单光子脉冲信号的平均光子数信息并输出给控制及数据处理模块；

所述光源模块还包括偏振模块；所述偏振模块包括光路选择模块、第二分束模块、偏振控制模块和偏振测量模块；

所述光路选择模块用于接收光脉冲信号发生器输出的光脉冲信号，并选择将光脉冲信号输出给偏振控制模块或者选择将光脉冲信号输出给衰减模块；

所述偏振控制模块用于接收光路选择模块输出的光脉冲信号，控制光脉冲信号达到特定偏振态，并将具有特定偏振态的光脉冲信号输出给第二分束模块；

所述第二分束模块用于接收偏振控制模块输出的光脉冲信号，并将光脉冲信号分为两路，将一路光脉冲信号输出给偏振测量模块，将另一路光脉冲信号输出给衰减模块；

所述偏振测量模块接收第二分束模块输出的光脉冲信号，测量得到光脉冲信号的偏振态信息，并将偏振态测量信息输出给监测模块；

所述衰减模块包括可变衰减模块、第三分束模块、光能测量模块和固定衰减模块；

所述可变衰减模块用于接收光路选择模块输出的光脉冲信号和接收第二分束模块输出的另一路光脉冲信号，对光脉冲信号进行可变衰减处理，并将处理后的光脉冲信号输出给第三分束模块；

所述第三分束模块用于接收经过可变衰减模块处理后的光脉冲信号并将光脉冲信号分为两路，将一路光脉冲信号输出给光能量测量模块，将另一路光脉冲信号输出给固定衰减模块；

所述光能量测量模块用于接收第三分束模块输出的一路光脉冲信号，测量光脉冲信号的光能量值，并将光能量值测量结果输出给监测模块；

所述固定衰减模块用于接收第三分束模块输出的另一路光脉冲信号，对光脉冲信号进行固定衰减处理，并将处理后的光脉冲信号输出给第一分束模块；

所述监测模块还用于接收偏振测量模块输出的偏振态测量信息和光能量测量模块输出的光能量值测量结果，根据偏振态测量信息对偏振控制模块进行反馈控制，并且根据符合计数结果和光能量值测量结果对可变衰减模块进行反馈控制；

所述事先标定的符合计数结果与单光脉冲信号平均光子数的映射关系的标定方法包括以下步骤：

S201：每个单光子脉冲信号所包含的光子数目近似服从泊松随机过程，即当输出的单光子脉冲信号包含的平均光子数为时，输出包含n个光子的单光子脉冲信号的概率如公式(1)所示：

(1)

其中，；N为光子脉冲包含光子数的最大值；

S202：假设单光子脉冲信号通过分束比为S1:S2的分束器后，被分为两路，两路单光子脉冲信号光分别进入第一单光子探测器和第二单光子探测器，同时，第一单光子探测器和第二单光子探测器对包含n个光子的单光子脉冲信号响应效率分别为和，两个单光子探测器的暗计数率分别为和，在门控频率为R的情况下，每次开门时出现暗计数噪声的概率如公式(2)所示：

(2)

S203：假设第一单光子探测器和第二单光子探测器的后脉冲概率分别为和，第一单光子探测器和第二单光子探测器的噪声概率分别为和，根据单光子探测器的计数工作特性，可以得到：

其中，分别为进入第一单光子探测器和第二单光子探测器的单光子脉冲信号平均光子数；

S204：根据符合计数的原理，对第一单光子探测器和第二单光子探测器输出的光子计数结果进行符合计数，得到单光子脉冲信号的二阶自相关函数输出期望值：

其中，N为光子脉冲包含光子数的最大值，为光子脉冲包含n个光子时符合计数输出1的概率； 的表达式分别为：

根据步骤S204得到的二阶自相关函数输出期望值，与单光子脉冲信号平均光子数进行映射，得到符合计数结果与单光子脉冲信号平均光子数的映射关系。

2.一种单光子探测器参数测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种单光子探测器参数测量系统进行测量，所述方法包括以下步骤：

S1：显控模块向控制及数据处理模块输出启动信号，开始进行待测单光子探测器参数测量；

S2：控制及数据处理模块接收启动信号，并向信号源及延时子模块输出控制信号，控制信号源及延时子模块产生时序发生信号、门控信号和开始信号；

S3：信号源及延时子模块将时序发生信号输出给光源模块，控制光源模块产生单光子脉冲信号；将门控信号输出给待测单光子探测器，控制待测单光子探测器开门时间；将开始信号输出给时幅转换测量模块，控制时幅转换测量模块开始计时；

S4：光源模块根据时序发生信号产生单光子脉冲信号，同时对单光子脉冲信号进行实时监测，将监测结果输出给控制及数据处理模块，并将单光子脉冲信号输出给待测单光子探测器；

S5：待测单光子探测器根据门控信号来接收单光子脉冲信号，同时，对单光子脉冲信号进行计数探测，产生计数信号并输出给时幅转换测量模块；

S6：时幅转换测量模块接收信号源及延时子模块输出的开始信号和接收待测单光子探测器输出的计数信号，在接收到待测单光子探测器输出的计数信号后，停止计时，同时根据开始计时时间和停止计时时间计算计时时长，并将计时时长信号输出给控制及数据处理模块；

S7：当控制及数据处理模块接收到时幅转换测量模块输出的计时时长信号后，对计时时长信号进行分析处理，得到待测单光子探测器的参数并发送给显控模块进行显示；

其中步骤S4包括以下步骤：

S101：光脉冲信号发生器根据接收到的时序发生信号产生光脉冲信号并输出给光路选择模块，选择将光脉冲信号输出给偏振控制模块或者选择将光信号输出给可变衰减模块；

S102：当选择将光脉冲信号输出给偏振控制模块时，偏振控制模块控制光脉冲信号达到特定偏振态；还采用第二分束模块将偏振控制模块输出的具有偏振态的光脉冲信号分为两路，采用偏振测量模块测量其中一路光脉冲信号的偏振信息，并将偏振测量信息输出给监测模块，将另一路光脉冲信号直接输送给可变衰减模块；

S103：采用可变衰减模块对接收到的光脉冲信号进行可变衰减处理；采用第三分束模块将可变衰减处理后的光脉冲信号分为两路输出；采用光能量测量模块对第三分束模块输出的一路光脉冲信号进行光能量值的测量，并将光能量值测量结果输出给监测模块；采用固定衰减模块对第三分束模块输出的另一路光脉冲信号进行固定倍数衰减处理后输出给第一分束模块；

S104：采用第一分束模块将衰减后的光脉冲信号分为两路，将一路光脉冲信号输出给监测模块进行符合计数，根据符合计数结果，利用事先标定的符合计数结果与单光子光脉冲信号平均光子数的映射关系，映射得到单光脉冲信号平均光子数信息并输出给控制及数据处理子模块，将另一路光脉冲信号作为单光子脉冲信号输出给待测单光子探测器；

S105：将偏振测量信息输出给监测模块后，监测模块根据偏振测量信息，对偏振控制模块进行反馈控制；将光能量值测量结果输出给监测模块后，监测模块根据光能量值测量结果和符合计数结果，对可变衰减模块进行反馈控制。