基于时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量方案

关键词：光子计数器，时间相关计数器，单光子计数系统，时间相关单光子计数系统

实验原理：采用HBT（Hanbury-Brown-Twiss）构型，待测单光子经过50:50分束器分成两路，两台单光子探测器输出LVTTL脉冲接入SYN5648时间相关单光子计数器，设备采集两路光子事件时间戳，上位机统计光子到达时间差，归一化得到二阶相干函数g(2)(τ)，g(2)(0)<1判定为具备单光子反聚束特性。

1 整套实验设备清单

1.1 光学光路单元（HBT光路）

表1 光学光路单元器件清单

1.2 探测单元（2台，必备）

• 可见光波段（400-1060nm）：SPCM-AQRH硅单光子计数模块（SPCM），输出LVTTL数字脉冲。
• 通信波段（1310/1550nm）：InGaAs-SPAD单光子探测器。

关键指标：低暗计数、低后脉冲；输出电平必须为LVTTL，匹配SYN5648的SMA输入接口。

1.3 电子采集设备：时间相关单光子计数器

• 输入接口SMA，电平LVTTL；时间分辨率1ps，时间抖动≤25ps，饱和计数率≥70Mcps。
• 支持多路时间戳记录，最长连续记录26000s；内置二阶相干测量分析功能。
• 时钟：内置10MHz恒温晶振，支持外接10MHz参考时钟。
• 通信：USB / 10G-SFP网口连接电脑；上位机软件可实时绘制g(2)(τ)曲线、导出原始时间戳数据。

1.4 配套附件

50Ω阻抗SMA同轴电缆（两路线缆尽量等长，减小固有时间差）、探测器供电电源、220V交流供电、控制计算机。

2 硬件接线步骤

2.1 搭建HBT光学光路

待测光源→窄带干涉滤光片→ND中性衰减片→50:50分束器；分束器两路输出分别耦合至两台单光子探测器光敏面，完成光路粗调，保证两路均可采集到光子计数信号。

2.2 探测器信号接线

两台单光子探测器完成供电并开机，探测器输出的LVTTL计数脉冲，使用50Ω SMA线缆分别接入CH0、CH1通道；两路SMA电缆长度尽可能保持一致，消除线缆传输带来的固有时间偏移。

2.3 主机接线

• 接入220V交流电源开机，通过USB或者10G-SFP网口与控制计算机建立通信。
• 高精度实验场景可外接10MHz参考时钟接入仪器外参考输入端口；普通实验直接使用设备内置恒温晶振即可。

2.4 开机顺序与安全注意

开机顺序：先开启单光子探测器，再启动主机，最后打开上位机控制软件。

安全注意：仅接入LVTTL电平脉冲，严禁高压脉冲直接输入SMA输入端口，防止通道硬件损坏。

3 上位机软件参数配置

3.1 通道基础配置

启用CH0、CH1采集通道，设置触发边沿为上升沿，关闭其余闲置通道。

3.2 工作模式选择

选用「时间戳采集模式（Time-tag）」，不使用传统Start-Stop模式；启用软件内置【二阶相干测量】分析模块。

3.3 二阶相干测量关键参数设置

表2 二阶相干测量关键参数

3.4 预调试观测

开启实时计数监控界面，调节ND衰减片，将两路单通道计数率控制在10k-200kcps。计数过高会引入探测器死时间、后脉冲带来的信号畸变；计数过低会降低信噪比，成倍增加采集耗时。

3.5 暗计数标定

完全遮挡入射光路，记录两路通道暗计数率，该数据用于后续实验数据校正。

4 正式采集测量流程

4.1 光路与环境准备

优化光路耦合，提升两路光子计数；实验环境做好避光处理，抑制环境杂散光干扰。

4.2 启动采集

在软件二阶相干测量页面，确认扫描范围、bin宽度、采集时长等参数，启动采集。

4.3 实时监测

软件实时输出两路单路计数曲线、时间差符合计数直方图、归一化g(2)(τ)曲线，可直接读取零延时τ=0位置的g(2)(0)数值。

4.4 数据导出

• 处理完成的g(2)(τ)曲线CSV文件。
• 原始时间戳Time-tag JSON/CSV文件，可用于离线二次校正、论文绘图。

4.5 实验结果判定参考

1. 理想单光子源：g(2)(0)→0；受暗计数、后脉冲的实验条件限制，性能优良的单光子源通常满足g(2)(0)<0.5。
2. 相干泊松激光：全延时区间g(2)(τ)≡1。
3. 热光（赝热光）存在聚束效应：g(2)(0)=2。

5 系统误差来源与校正方法

5.1 暗计数

暗计数会抬高g(2)(0)基线；实验必须标定暗计数率，可通过软件或离线脚本完成暗计数扣除校正。

5.2 探测器后脉冲

APD探测器后脉冲会在非零延时处产生虚假符合峰；可通过降低单通道计数率缓解，严重情况下基于原始时间戳做后脉冲算法修正。

5.3 系统时间抖动

固有时间抖动≤25ps；系统总抖动为探测器时间抖动叠加仪器抖动，抖动会展宽反聚束凹陷，数据拟合时需要引入系统抖动参数做卷积拟合。

5.4 光路两路不平衡损耗

两路光传输效率不一致不会改变g(2)(0)真值，但会降低信噪比，实验中尽量平衡两路光功率。

5.5 光子堆积效应

光强过高会出现多光子同时到达，破坏单光子条件，必须依靠ND衰减片控制光强。

6 系统校验对照测试

正式测量单光子源前，建议采用高度衰减连续激光作为参考光源，完成整套HBT光路+采集系统校验。

衰减激光属于泊松相干光源，测量输出g(2)(τ)整条曲线应趋近于1；若g(2)(0)明显偏离1，代表光路、接线或者参数配置存在错误，完成故障排查后，再开展待测单光子源测试。

7 常见故障排查要点

7.1 无光子计数

检查探测器供电、光路耦合状态、SMA线缆连接、通道触发边沿设置，确认探测器输出为LVTTL有效脉冲。

7.2 观测不到反聚束谷

g(2)(0)始终接近1时：①待测光源本身单光子性能差；②光功率过高发生光子堆积；③背景杂散光或暗计数过大；④光路耦合差、信号弱、信噪比不足。

7.3 曲线出现周期性伪峰

检查SMA线缆屏蔽接地，降低电磁干扰；评估探测器后脉冲的影响。

8 系统拓展能力

该时间相关单光子计数器为多通道架构，开展参量下转换宣布式单光子源等扩展实验时，可启用3路及以上通道，同步采集信号光子与宣布光子，实现多通道符合计数；硬件同时兼容荧光寿命FLIM、荧光相关光谱FCS等其他光量子测量。

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (1)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (2)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (3)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (4)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (5)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (6)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (7)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (8)

时间相关单光子计数器的单光子二阶相干测量 (9)