[发明专利]一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法，具体测试原理是：非线性光学介质中的自发参量辐射过程会以一定的概率产生关联光子对，既一个高频光子湮灭的同时产生两个低频光子，利用关联光子对在时间、能量(频率)、动量以及偏振等方面的关联性，通过探测其中一个光子可以来预报另一个光子的存在。利用符合测量对两路单光子计数信号进行测量，得到的符合测量值为两路光子同时被探测到的计数信号，通过符合测量值、触发探测计数值和待测探测器探测光子的光路透过率即可得出待测单光子探测器的探测效率。本发明是一种基准式测量方案，不需要溯源至更高一级的计量标准，具备量子信息技术中天生带有高精度的特点。

技术领域

本发明属于单光子探测器测试技术领域，具体涉及一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法。

背景技术

当前，单光子探测器的应用主要在量子保密通信、量子精密测量、微光探测等领域，其中又以在量子保密通信终端的使用最为典型。单光子探测器性能表征参数主要有暗计数、探测效率及线性、后脉冲概率等，以上参数对量子保密通信的成码率、传输距离、安全性都有直接影响。探测效率作为单光子探测器的核心参数，当前的测试方案是利用激光衰减生成的准单光子源激励单光子探测器，准单光子源强度是通过标准功率计对激光源输出强度和衰减器衰减倍数分别标定后间接计算得出，探测效率及线性的测量精度主要由标准功率计的测量准确度及线性决定，所以这是一种需要向更高一级标准进行溯源的测试方法。若需要在多个通信波长处进行测量，需要匹配多个光源及相应的标准功率计等仪器。此外，利用激光衰减法进行探测效率测量时，光子计数值中包含了后脉冲计数，若需要对探测效率进一步精确测量，需要利用时间相关单光子计数等技术将后脉冲计数单独测出。

随着量子信息技术的发展，单光子探测器的量产及广泛应用对单光子探测器高准确度、便携化及自动化测试的需求越来越明显，尤其核心参数探测效率的测量基于传统的激光衰减测量方案，量传过程中的逐级累积误差使得测量准确度无法进一步提高。

目前，单光子探测器探测效率的主流测试方案是将激光源衰减至单光子量级，通过线性响应优异的标准功率计标定光源输出功率和大动态范围的衰减倍数来间接计算得到出射光子数量，这种方案的优点是：不管光源、光衰减器还是光功率计均有较多成熟的产品可以拿来用，不同厂家的产品进行搭配后即可组建一套测试系统，但缺点也很明显：①测试系统是由不同的分立仪器组成，不易便携，需要针对各个仪器进行专门的开发设计，自动化测试很难实现；②通过对激光光源进行大动态范围衰减产生单光子源，激光光源强度、稳定度和滤光片通过标准功率计来测量，由于单光子水平的光功率极其微弱，需要对多个滤光片单独进行测量后再串联使用，较多的测量环节导致测量误差不断累积，所以测量精度很有限且很难进一步提高；③单光子探测器不同于传统的光电探测器，其工作物理过程复杂，各参数之间相互关联，如激光衰减法测出的探测效率中包含后脉冲概率，如要进行后脉冲概率的测试，还要使用符合测量仪器记录并分析被测单光子探测器的计数信号，所以一套完整的测试系统需要多台套不同类型的仪器组成。该方案总体上在使用便携性、自动化测试以及提高测试精度等方面已经不能满足日益增长的测试需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通信波段单光子探测器探测效率测试装置及方法，是基于关联光子源加符合测量仪器组成一套测试系统，不同于传统的测试思路，本发明是一种基准式测量方案，不需要溯源至更高一级的计量标准，具备量子信息技术中天生带有高精度的鲜明特点。

具体测试原理是：非线性光学介质中的自发参量辐射过程会以一定的概率产生关联光子对，既一个高频光子湮灭的同时产生两个低频光子，利用关联光子对在时间、能量(频率)、动量以及偏振等方面的关联性，通过探测其中一个光子可以来预报另一个光子的存在。利用符合测量对两路单光子计数信号进行测量，得到的符合测量值为两路光子同时被探测到的计数信号，通过符合测量值、触发探测计数值和待测探测器探测光子的光路透过率即可得出待测单光子探测器的探测效率。