[发明专利]一种大动态范围高精度可调光衰减系统及其衰减方法

说明书

一种大动态范围高精度可调光衰减系统，包括一个光路切换单元、N个固定光衰减器、一个光合束单元和一个可调光衰减器；光路切换单元的N个输出端口分别和N个固定光衰减器的输入端连接，N个固定光衰减器的输出端分别和光合束单元的N个输入端连接，光合束单元的输出端和可调光衰减器的输入端连接；光路切换单元的输入端输入光信号，可调光衰减器的输出端输出被精确衰减后的光信号。本发明还公开了一种大动态范围高精度可调光衰减方法。本发明具有以下优点：利用光路切换器件、固定光衰减器或光合束器这些器件所具有的可靠性特性，将可调光衰减器在小动态范围内的高精度扩展到整个大动态范围，大大降低所引入的不确定度，还降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，更具体涉及一种大动态范围高精度可调光衰减系统及其衰减方法。

背景技术

单光子探测器是量子信息技术领域的核心设备，通常我们使用一些独立的参数，如探测效率、暗计数率、后脉冲、死时间等，来衡量一个单光子探测器的性能。由于材料的缺陷和工艺的限制，无法实现完美的单光子探测，实际的单光子探测器偏离理想模型，参数之间相互影响。在这些参数中，探测效率属于关键的核心指标，无论是工程化的量子信息产品(如量子通信设备)，还是量子信息科学实验(如无漏洞贝尔不等式测量)，都需要精确的知晓单光子探测器的探测效率。目前，主流的单光子探测器量子效率标校方法有两种，分别是：激光衰减法和相关光子法。激光衰减法是目前最常用的方法，采用光功率计实时校准激光器光功率以产生稳定的光源，之后经由衰减器进行大幅高精度衰减以产生特定平均光子数的输出，以用于单光子探测器探测效率的标定。激光源功率的稳定以及衰减器环节的精度和稳定都将影响到最终输出的平均光子数精确度，最终影响单光子探测器探测效率标定的准确度。并且，不同应用场景的单光子探测器一般测量的平均光子数水平有所区别，如量子通信中往往平均光子数低于1，而生物荧光中则要大得多。为适应多种探测器的标定，产生用于标定的平均光子数兼具大动态范围和高精度可调，发展大动态范围高精度可调的光衰减技术显得极具意义。

目前可调光衰减器有多种实现方式，主要是通过对在输入端和输出端之间的电机、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)或是电磁场等的调节，控制最终耦合进输出端光纤光的多少，以实现衰减的调节，其精度取决于所调控参量的精度以及所调控参量与光衰减量对应关系的准确度。这对调节参量的控制精度以及调节参量和最终衰减量的对应关系的要求均极高，微小的误差都将引入较大的不确定度。当衰减值设置为接近衰减器最大衰减值时，一方面所调节参量已比较接近临界，另一方面耦合进输出端的光变的很微弱，微小的变化均会带来更明显的误差，导致衰减器的稳定性和重复性降低。例如，某国外进口的可调光衰减器在10dB内可调精度为0.01dB，大于10dB后逐渐降低；在10dB内可重复性为±0.03dB，大于10dB后则只有±0.1dB。

也有通过多输入与多输出端口的光开关阵列和固定光衰减器来实现光衰减，如公开号为CN202049258U的中国实用新型专利公开了一种数字型高精度光纤衰减器，其精度依赖于光开关阵列的数目以及所用固定光衰减器的精度，在高精度时需要大数目的光开关阵列和固定光衰减器，同时由于光开关阵列数目的增大，一定程度上在实际应用中将限制其稳定性和可靠度。

所以，总的来说目前可调光衰减器的动态范围和精度普遍存在一定的相互制约关系，若是仅依靠单个可调光衰减器实现大动态范围光衰减调节，往往面临精度与重复性下降或者复杂度上升的问题，将给系统引入极大的不确定度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于随着可调光衰减器的动态范围增大，其调节精度下降和复杂度上升的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：