[发明专利]基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机

说明书

本发明公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，包括低温下的具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器、低温放大器以及常温放大器，输入的光信号经所述串联型超导纳米线单光子探测器转化为电信号，所述串联型超导纳米线单光子探测器的输出端通过同轴线在低温工作区下与低温放大器的输入端相连，低温放大器的输出端通过同轴线由低温放大器连接至室温环境，并通过常温放大器传输至外部检测仪器。本发明利用了串联型单光子探测器的光子数分辨能力以及高速恢复时间，提高了光通信的速率，降低了背景光子对通信系统的影响，并通过对接收信号中光子数信息的提取提高纠错码的纠错能力，实现了高速率、远距离下的少光子通信。

技术领域

本发明涉及一种少光子通信接收机，特别涉及一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，适用于高速率、远距离通信。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(superconducting-nanowire single-photondetector,SNSPD)是一种新型的单光子探测器。超导纳米线单光子探测器的感光部分使用超导薄膜，例如氮化铌薄膜，制备成的纳米线构成。超导纳米线单光子探测器工作时需要被偏置在超导临界电流之下。当纳米线条吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，在电路上表现为流经探测器上电流突然下降。随后纳米线条经过冷却过程，恢复到初始状态。超导纳米线单光子探测器吸收光子的过程在电路上表现为一快速上升，随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，能够鉴别单光子的到达。

传统的单个超导纳米线单光子探测器受制于其动态电感的限制，最大的光子计数率通常小于50MHz，因此在PPM调制模式下，光通信的最大通信速率受到限制。将传统的超导纳米线单光子探测器组合成为阵列结构，实现复用，能够提高光子计数率，但是每个探测器需要独立的读出电路，增加了系统的复杂度，高速通信时，对阵列信号的数字化处理和解码也带来了困难。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，该单光子探测器采用串联纳米线的结构，每组纳米线并联电阻后，进行串联，由一路端口输出。该单光子探测器具有高速、光子数分辨的特点，通过结合信号处理算法、纠错编码，可以实现高速率的少光子通信。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机，包括低温下的具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器、低温放大器以及常温放大器，输入的光信号经所述串联型超导纳米线单光子探测器转化为电信号，所述串联型超导纳米线单光子探测器的输出端通过同轴线在低温工作区下与低温放大器的输入端相连，低温放大器的输出端通过同轴线由低温放大器连接至室温环境，并通过常温放大器传输至外部检测仪器。

进一步的，输入的光信号可以通过光纤，也可以通过窗口，经过自由空间，耦合进入所述串联型超导纳米线单光子探测器，从而实现信号探测。

进一步的，所述电信号经过数字化后，经过滤波，纠错编码算法后，转化成为数字信息。

进一步的，所述基于超导纳米线单光子探测器的少光子通信接收机中，其中具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器与低温放大器安装在制冷装置的内部。

进一步的，所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器采用纳米线并联电阻后串联的结构。

更进一步的，使用所述具有光子数分辨能力的串联型超导纳米线单光子探测器可以提取接收光信号中光脉冲携带的光子数信息，从而降低背景光子对光通信的影响。