一种基于光纤色散的单光子光谱仪的制作方法

1.本技术属于光谱测量领域，具体而言，涉及一种基于光纤色散的单光子光谱仪。


背景技术：

2.在量子信息和量子光学领域，量子态制备、调控等严格依赖于光子的光谱特性，如线性光学量子计算的基础-双光子干涉(也称hom干涉)就要求发生干涉的两个光子光谱严格一致。在量子光学实验中常用的量子光源，如自发参量下转换(spdc)和四波混频(fwm)过程产生的量子光源，其双光子光谱的互相关关系也是衡量光源特性的重要参数。
3.与经典光学不同，量子光学实验中所用的光源为单光子量级，普通的光电探测器无法探测，需要工作于盖革模式的雪崩光电二极管进行低噪声、高灵敏度的单光子探测。因此在光谱测量方面，量子光源的光谱测量也需要低噪声、低衰减、灵敏度至单光子量级的单光子光谱仪。
4.传统的基于棱镜、光栅等空间色散原理的光谱仪可以分为扫描型和光谱图像型。扫描型光谱仪具有运动部件，只需单点探测器，但这种扫描方式对于单光子光谱探测而言存在衰减大的缺点。光谱图像型光谱仪将所有色散光均收集探测，虽然避免了衰减大的缺点，但所需要的单光子ccd探测器成本高，且需要液氮冷却以降低噪声。
5.目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(tdc)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是当待测光源是连续光或者脉冲频率较高时，前后脉冲的光子经过色散后在时域上前后重叠，从而无法实现光谱的准确测量；第二个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，因此光谱仪的标定过程难度大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，实用性差。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本技术提供一种基于光纤色散的单光子光谱仪，通过设置斩波器截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散模块展宽，且斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，其具体方案如下：
7.本技术公开了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器；所述分频器分别与所述斩波器和所述时间数字转换器连接，用于接收待测光源的驱动脉冲电信号并对所述驱动脉冲电信号降频同时将降频后的驱动脉冲电信号同时传输给所述斩波器和所述时间数字转换器；所述斩波器用于在所述降频后的驱动脉冲电信号的作用下截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲；
所述色散模块用于对所述斩波脉冲展宽使不同波长的光子在时域上分开并传输至所述单光子探测器，所述降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于所述斩波脉冲展宽后的时域宽度；所述单光子探测器用于将不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给所述时间数字转换器，所述时间数字转换器用于记录所述斩波器形成所述斩波脉冲的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。
8.进一步地，所述单光子光谱仪还包括电动可调光延时器，所述电动可调光延时器的输出端与所述斩波器连接，所述电动可调光延时器的一个输入端与所述单光子探测器连接，所述电动可调光延时器用于对待测光源输出的光脉冲延时扫描并基于所述单光子探测器反馈的光子计数获取对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。
9.优选地，所述单光子探测器为单光子雪崩二极管。
10.优选地，所述色散模块为光纤或光纤布拉格光栅。
11.优选地，所述斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。
12.优选地，所述单光子探测器工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。
13.进一步地，所述mzi型光开关由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，所述相位调制器设置于所述干涉上臂或所述干涉下臂上，所述相位调制器用于调节光脉冲的相位，所述干涉上臂的两端分别连接所述第一分束器的输出上端口和所述第二分束器的输入上端口，所述干涉下臂的两端分别连接所述第一分束器的输出下端口和所述第二分束器的输入下端口。
14.进一步地，所述铌酸锂强度调制器由输入直波导、3db分束器、传输上波导、传输下波导、3db合束器、输出直波导和调制电极组成，所述输入直波导与所述3db分束器的输入端连接，所述传输上波导的两端分别与所述3db分束器的输出上端口和所述3db合束器的输入上端口连接，所述传输下波导的两端分别与所述3db分束器的输出下端口和所述3db合束器的输入下端口连接，所述输出直波导与所述3db合束器的输出端连接，所述调制电极共4个，2个所述调制电极分别对称设置在所述传输上波导的两侧，另外2个所述调制电极分别对称设置在所述传输下波导的两侧。
15.总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
16.本技术提供了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器，分频器接收待测光源的驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频同时传输给斩波器和时间数字转换器，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，因为待测光源的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，因此降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，通过调整分频器的降频倍数使降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，也即是斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，提高了光谱测量的准确性和稳定性。此外，时间数字转换器以斩波器形成斩波脉冲的时间作为探测的起始时间点，且降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，由于斩波器到单光子探测器和时间数字转换器的距离在出厂时已经固
定，因此在对不同待测光源进行测量时不需要重新校准，提高了测量效率，实用性强。
附图说明
17.为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例提供的一种基于光纤色散的单光子光谱仪的结构示意图；
19.图2为本技术中待测光源的驱动脉冲电信号与待测光源输出的光脉冲的时序图；
20.图3为本技术一个实施例在探测过程中脉冲变化的示意图；
21.图4为本技术另一实施例在探测过程中脉冲变化的示意图；
22.图5为本技术另一实施例提供的一种基于光纤色散的单光子光谱仪的结构示意图；
23.图6为本技术中mzi型光开关的结构示意图；
24.图7为本技术中铌酸锂强度调制器的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是本技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
27.为了便于理解和解释本技术实施例提供的技术方案，下面将先对本技术的背景技术进行说明。
28.目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(tdc)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是当待测光源是连续光或者脉冲频率较高时，前后脉冲的光子经过色散后在时域上前后重叠，从而无法实现光谱的准确测量；第二个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，因此光谱仪的标定过程难度大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，实用性差。
29.基于此，本技术提供一种基于光纤色散的单光子光谱仪，如图1所示，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器。分频器分别与斩波器和时间数字转换器连接，用于接收待测光源的驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频同时将降频后的驱动脉冲电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器；斩波器用于在降频后
的驱动脉冲电信号的作用下截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲；色散模块用于对斩波脉冲展宽使不同波长的光子在时域上分开并传输至单光子探测器，降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度；单光子探测器用于将不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器，时间数字转换器用于记录斩波器形成斩波脉冲的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。
30.这里需要注意的是，本技术探测的待测光源其输出的是光脉冲而不是连续光，待测光源在驱动脉冲电信号的作用下输出光脉冲，同时驱动脉冲电信号传输至分频器，待测光源的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，如图2所示。
31.分频器接收驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频，使输出的驱动脉冲电信号频率为输入驱动脉冲电信号频率的整数分之一，因为输入的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，因此降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期。
32.在本技术中斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，因此斩波脉冲的周期与降频后的驱动脉冲电信号周期一致，也与截取光脉冲的周期一致，如图3和图4所示。在一个实施例中，参见图3，驱动脉冲电信号的脉冲宽度小于待测光源输出光脉冲的宽度，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲的一部分形成斩波脉冲，每个斩波脉冲的宽度与降频后的驱动脉冲电信号的脉冲宽度一致。在另一个实施例中，参见图4，驱动脉冲电信号的脉冲宽度大于待测光源输出光脉冲的宽度，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，此状态下，截取的单个斩波脉冲宽度即为待测光源输出的光脉冲的宽度。
33.斩波脉冲传输至色散模块后，对斩波脉冲色散展宽，其原理为不同波长的光子在色散模块上的传播速度不同，因此不同波长的光子在通过色散模块后在时域上分开，传输至单光子探测器的时间不同。通过调整分频器的降频倍数使降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，也即是斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，参见图3和图4，避免相邻斩波脉冲展宽后重叠，提高光谱测量的准确性和稳定性。
34.单光子探测器接收不同波长的光子信号且将光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器。在本技术中，优选单光子探测器为单光子雪崩二极管，单光子雪崩二极管可以探测光的单个粒子，能够检测弱强度信号，探测时间精度达到皮秒量级，其具有两种工作模式，分别为自由运行模式和门控模式。在本技术中，单光子雪崩二极管工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测，以减小门控模式下对斩波脉冲的衰减。
35.斩波器根据降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，同时降频后的驱动脉冲电信号传输给时间数字转换器，时间数字转换器记录降频后的驱动脉冲电信号时序，也即是记录斩波器形成每个斩波脉冲的时间，作为时间数字转换器的开始计时信号。单光子探测器将不同波长的光子信号转换为相应电信号，相应电信号传输至时间数字转换器作为时间数字转化器的停止计时信号，因此时间数字转换器可以精确测量同一斩波脉冲中不同波长的光子从开始计时信号到停止计时信号的时间间隔。由于不同波长的光子经过色散模块后到达单光子探测器的时间不同，因此可以精确测量不同波长的光
子到达单光子探测器的时间与对应的光强曲线，光强由单光子探测器探测的光子计数体现，也即是获得波长与光强的对应关系曲线，完成光谱测量的功能。
36.在本技术中时间数字转换器以斩波器形成斩波脉冲的时间作为探测的起始时间点，且降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，由于斩波器到单光子探测器和时间数字转换器的距离在出厂时已经固定，因此在对不同待测光源进行测量时不需要重新校准，提高了测量效率，实用性强。
37.在本技术的另一个实施例中，基于光纤色散的单光子光谱仪还包括电动可调光延时器，如图5所示，电动可调光延时器的输出端与斩波器连接，电动可调光延时器的一个输入端与单光子探测器连接，电动可调光延时器用于对待测光源输出的光脉冲延时扫描并基于单光子探测器反馈的光子计数获取对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。
38.电动可调光延时器可以精准调节光学延迟，具有低插入损耗、集成度高等优点，实现对待测光源输出的光脉冲延时扫描，延时扫描周期(扫描长度)为斩波脉冲的周期，在延时扫描周期内电动可调光延时器连续改变延时数值，单光子探测器获取在每个延时数值下的光子计数，并将每个延时数值下的光子计数反馈给电动可调光延时器。完成整个扫描长度的延时扫描后，电动可调光延时器获取最大光子计数对应的延时数值，此延时数值即为电动可调光延时器对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。电动可调光延时器固定最大光子计数对应的延时数值，并将此延时数值用于对待测光源的光谱测量。
39.在本技术中，色散模块为光纤或光纤布拉格光栅，以实现斩波脉冲的展宽，使不同波长的光子到达单光子探测器的时间不同。
40.在本技术的一个实施例中，斩波器为mzi型光开关，具体地，mzi型光开关由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，如图6所示，相位调制器设置于干涉上臂或干涉下臂上，相位调制器用于调节光脉冲的相位，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端口和第二分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端口和第二分束器的输入下端口。
41.假设第二分束器的输出上端口与色散模块连接，用于输出斩波脉冲，第二分束器的输出下端口为无效输出端口。
42.当驱动脉冲电信号的脉冲宽度小于待测光源输出光脉冲的宽度时，参见图3，通过调整相位调制器，使进入mzi型光开关中的光脉冲(如光脉冲1、光脉冲3)的一部分从第二分束器的输出上端口输出，光脉冲1和光脉冲3的其它部分从第二分束器的输出下端口输出，光脉冲2和光脉冲4也同样从第二分束器的输出下端口输出。通过调整相位调制器，使进入mzi型光开关中的光脉冲的一部分(斩波脉冲)从第二分束器的输出上端口输出到色散模块，而光脉冲中未被截取的其它部分以及不与降频后的驱动电信号脉冲相对应的光脉冲(如光脉冲2和光脉冲4)从第二分束器的输出下端口输出，此部分为无效输出，达到获取斩波脉冲的目的。具体地，相位调制器对单个光脉冲的调制时间段与驱动脉冲电信号的脉冲时域宽度一致，相位调制器的调制周期与截取光脉冲的周期一致。
43.当驱动脉冲电信号的脉冲宽度大于待测光源输出光脉冲的宽度时，参见图4，通过调整相位调制器，使光脉冲1和光脉冲3从第二分束器的输出上端口输出，光脉冲2和光脉冲4从第二分束器的输出下端口输出，依次类推，达到获取斩波脉冲的目的。
44.在本技术的另一个实施例中，斩波器为铌酸锂强度调制器，具体地，铌酸锂强度调
制器由输入直波导、3db分束器、传输上波导、传输下波导、3db合束器、输出直波导和调制电极组成，如图7所示，输入直波导与3db分束器的输入端连接，传输上波导的两端分别与3db分束器的输出上端口和3db合束器的输入上端口连接，传输下波导的两端分别与3db分束器的输出下端口和3db合束器的输入下端口连接，输出直波导与3db合束器的输出端连接，调制电极共4个，2个调制电极分别对称设置在传输上波导的两侧，另外2个调制电极分别对称设置在传输下波导的两侧。
45.传输上波导的两侧和传输下波导的两侧对称设置调制电极，对称设置的调制电极分别在外加电场的作用下，相应地在传输上波导和传输下波导内建立电场，传输上波导和传输下波导在内电场的作用下，折射率发生改变。通过改变外加电场的调制电压，实现在传输上波导和传输下波导内传输的光脉冲的相位变化。具体地，光脉冲经输入直波导传输至3db分束器，在3db分束器的作用下分为能量相等的两束光，此两束光分别通过传输上波导和传输下波导传输，而传输上波导和传输下波导分别基于对称设置的调制电极，在外加电场的作用下，使在传输上波导的一束光和在传输下波导的另一束光分别产生大小相等的一正一负的相位变化，经过相位调制的两束光在3db合束器干涉合成并通过输出直波导输出。在外加电场的作用下，经过3db分束器后的两束光在外加电场的作用下产生了相位差，通过调整外加电场的电压也即是改变两束光的相位差，在3db合束器上干涉合成实现光脉冲的干涉相消或干涉加强。在本技术中干涉加强的过程即为形成斩波脉冲的过程。
46.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器；所述分频器分别与所述斩波器和所述时间数字转换器连接，用于接收待测光源的驱动脉冲电信号并对所述驱动脉冲电信号降频同时将降频后的驱动脉冲电信号同时传输给所述斩波器和所述时间数字转换器；所述斩波器用于在所述降频后的驱动脉冲电信号的作用下截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲；所述色散模块用于对所述斩波脉冲展宽使不同波长的光子在时域上分开并传输至所述单光子探测器，所述降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于所述斩波脉冲展宽后的时域宽度；所述单光子探测器用于将不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给所述时间数字转换器，所述时间数字转换器用于记录所述斩波器形成所述斩波脉冲的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子光谱仪还包括电动可调光延时器，所述电动可调光延时器的输出端与所述斩波器连接，所述电动可调光延时器的一个输入端与所述单光子探测器连接，所述电动可调光延时器用于对待测光源输出的光脉冲延时扫描并基于所述单光子探测器反馈的光子计数获取对待测光源输出的光脉冲的最佳延时时间。3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子探测器为单光子雪崩二极管。4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述色散模块为光纤或光纤布拉格光栅。5.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述斩波器为mzi型光开关或铌酸锂强度调制器。6.根据权利要求3所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述单光子探测器工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。7.根据权利要求5所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述mzi型光开关由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，所述相位调制器设置于所述干涉上臂或所述干涉下臂上，所述相位调制器用于调节光脉冲的相位，所述干涉上臂的两端分别连接所述第一分束器的输出上端口和所述第二分束器的输入上端口，所述干涉下臂的两端分别连接所述第一分束器的输出下端口和所述第二分束器的输入下端口。8.根据权利要求5所述的一种基于光纤色散的单光子光谱仪，其特征在于，所述铌酸锂强度调制器由输入直波导、3db分束器、传输上波导、传输下波导、3db合束器、输出直波导和调制电极组成，所述输入直波导与所述3db分束器的输入端连接，所述传输上波导的两端分别与所述3db分束器的输出上端口和所述3db合束器的输入上端口连接，所述传输下波导的两端分别与所述3db分束器的输出下端口和所述3db合束器的输入下端口连接，所述输出直波导与所述3db合束器的输出端连接，所述调制电极共4个，2个所述调制电极分别对称设置在所述传输上波导的两侧，另外2个所述调制电极分别对称设置在所述传输下波导的两侧。

技术总结
本申请公开了一种基于光纤色散的单光子光谱仪，包括分频器以及依次连接的斩波器、色散模块、单光子探测器和时间数字转换器，分频器接收待测光源的驱动脉冲电信号并对驱动脉冲电信号降频同时传输给斩波器和时间数字转换器，斩波器基于降频后的驱动脉冲电信号截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，因为待测光源的驱动脉冲电信号频率与待测光源输出光脉冲的频率一致，因此降频后的驱动脉冲电信号的周期整数倍于光脉冲的周期，通过调整分频器的降频倍数使降频后的驱动脉冲电信号的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，也即是斩波脉冲的周期不小于斩波脉冲展宽后的时域宽度，避免了相邻斩波脉冲展宽后重叠，提高了光谱测量的准确性和稳定性。量的准确性和稳定性。量的准确性和稳定性。


技术研发人员：安雪碧
受保护的技术使用者：合肥硅臻芯片技术有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/21