阅读说明：本技术 一种大动态范围高精度可调光衰减系统及其衰减方法 (Large-dynamic-range high-precision variable optical attenuation system and attenuation method thereof ) 是由 刘仁德 *** 代云启 刘建宏 于 2018-06-20 设计创作，主要内容包括：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。(A large dynamic range high precision variable optical attenuator system comprises an optical path switching unit, N fixed optical attenuators, an optical combining unit and a variable optical attenuator; n output ports of the light path switching unit are respectively connected with input ends of N fixed optical attenuators, output ends of the N fixed optical attenuators are respectively connected with N input ends of the optical combining unit, and an output end of the optical combining unit is connected with an input end of the adjustable optical attenuator; the input end of the optical path switching unit inputs an optical signal, and the output end of the variable optical attenuator outputs an accurately attenuated optical signal. The invention also discloses a large-dynamic-range high-precision variable optical attenuation method. The invention has the following advantages: the high precision of the variable optical attenuator in a small dynamic range is expanded to the whole large dynamic range by utilizing the reliability characteristics of the optical path switching device, the fixed optical attenuator or the optical beam combiner, the introduced uncertainty is greatly reduced, and the production cost is also reduced.)

一种大动态范围高精度可调光衰减系统及其衰减方法

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：

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；所述光路切换单元有1个输入端口和N个输出端口，各所述固定光衰减器为单端口输入和单端口输出，各所述固定光衰减器的衰减值不同，所述光合束单元有N个输入端和1个输出端，所述可调光衰减器有1个输入端和1个输出端；所述光路切换单元的N个输出端口分别和N个固定光衰减器的输入端利用光纤相连接，所述N个固定光衰减器的输出端分别和所述光合束单元的N个输入端利用光纤进行连接，所述光合束单元的输出端和可调光衰减器的输入端利用光纤进行连接；所述光路切换单元的输入端输入光信号，所述可调光衰减器的输出端输出被精确衰减后的光信号。

作为更进一步的技术方案，所述可调光衰减器的动态范围小于系统能够调节的范围。

作为更进一步的技术方案，所述光路切换单元能够选通N路输出中的一路且其它路处于关断状态。

作为更进一步的技术方案，所述光路切换单元能够选通N路输出中的一路且其它路处于关断状态，N大于等于系统动态范围与可调光衰减器的动态范围的比值向上取整。

作为优选的技术方案，所述光路切换单元为1×N光开关，光合束单元为1×N光耦合器。

或者，所述光路切换单元为1×N光开关，光合束单元为1×N光开关。

或者，所述光路切换单元的1×N的光开关由1×2或小于N的光开关级联而成。

或者，所述1×N的光耦合器由1×2或小于N的光耦合器级联而成。

作为优选的技术方案，所述N个固定光衰减器配置在系统的N条可选通光路中，使得系统输入光信号经该N条可选通光路后产生不同的光衰减值S₁、S₂、……、S_N-1和S_N后至光合束单元的输出端输出，所产生的N个衰减值呈一定梯度。

作为优选的技术方案，所述N条可选通光路后产生不同的光衰减值S₁、S₂、……、S_N-1和S_N的相邻衰减值可以相同也可以不相同；所述相邻的衰减值最大间距Step小于等于可调光衰减器的动态范围。

作为优选的技术方案，测得N条可选通光路在未配置固定光衰减器之前的固有插损为IL₁、IL₂、……、IL_N-1和IL_N，所述N个固定光衰减器的衰减值分别设置为S₁-IL₁、S₂-IL₂、……、S_N-1-IL_N-1和S_N-IL_N。

本发明还公开一种采用上述任一所述的一种大动态范围高精度可调光衰减系统的衰减方法，包括：

光信号输入至本系统；

控制光路切换单元，使得光信号仅从光路切换器件的N个输出端口中的一个端口传输，其余N-1个端口无光通过；

光信号经所选通光路传输后产生相应的光衰减，实现大步进光衰减调节；

控制可调光衰减器，进行小范围高精度调节；

最终实现整个大动态范围的高精度光可调衰减调节。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、相比于依靠单个可调光衰减器难以实现的兼具大动态范围和高精度调节，本发明利用光路切换器件、固定光衰减器和光合束器这些器件所具有的可靠性远高于可调光衰减器的特性，将可调光衰减器在小动态范围内所能达到的高精度扩展到整个大动态范围，从而实现大动态范围高精度可调光衰减，大大降低所引入的不确定度，可应用于单光子探测器探测效率标定等对可靠性和精度要求极高的系统。

2、本发明光衰减调节的精度不依赖于光开关阵列的数目和固定光衰减器的精度，无需大阵列的光开关及大量的光衰减器，仅需较少通道的光开关和固定光衰减器即可实现较大的动态范围，并且实际应用中小动态范围高精度的可调光衰减器技术难度小，易于获得，不仅提高了系统稳定性，还进一步降低生产成本。

附图说明

图1为本发明一种大动态范围高精度可调光衰减系统原理示意图；

图2为本发明实施例1的一种大动态范围高精度可调光衰减系统结构示意图；

图3为本发明实施例2的一种大动态范围高精度可调光衰减系统结构示意图；

图4为本发明实施例3的一种大动态范围高精度可调光衰减系统结构示意图；

图5为本发明实施例4的一种大动态范围高精度可调光衰减系统结构示意图。

其中：11、1×N光路切换单元；12、第一1×4光开关；13、第二1×4光开关；14、第三1×4光开关；15、第一1×2光开关；16、第二1×2光开关；17、第三1×2光开关；18、1×8光开关；A1、A2、…、AN、第一至第N个固定光衰减器；21、1×N光合束单元；22、1×4光耦合器；23、第一1×2光耦合器；24、第二1×2光耦合器；25、第三1×2光耦合器；26、1×8光耦合器；3、可调光衰减器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种大动态范围高精度可调光衰减系统原理如图1所示，包括依次设置在传输光路上的由1×N光路切换单元11、N个并联设置的固定光衰减器(ATT)A₁、A₂、…、A_N、1×N光合束单元21和可调光衰减器(VOA)3，其中1×N光路切换单元11的输入端为入射光输入端，1×N光路切换单元11的N个输出端依次与N个固定光衰减器的输入端相连接，N个固定光衰减器的输出端依次连接1×N光合束单元21的各分端口，1×N光合束单元21的总端口连接可调光衰减器3的输入端，可调光衰减器3的输出端为系统输出端。

通过固定光衰减器衰减值的选取，使得由1×N光路切换单元11输入端经1×N光路切换单元11的不同分端口输出到1×N光合束单元21总端口的插损值不同，形成一定的梯度，进而通过1×N光路切换单元11对N路光衰减路径的选通，实现大步进、高稳定的衰减调节。即面对不同衰减需求，可先完成大档位的调节，在此基础上通过可调光衰减器3实现档内的精细调节，最终可实现全大动态范围的高精度光衰减调节。可调光衰减器3是1个小动态范围内高精度可调的光衰减器。

系统的光路切换单元所需的N由系统所需的动态范围R_system和可调光衰减器的动态范围R_VOA共同决定，N大于等于系统动态范围与可调光衰减器的动态范围的比值向上取整，即N≥R_system/R_VOA。确定好N之后，当N个固定光衰减器配置在系统的N条可选通光路中，使得系统输入光信号经该N条可选通光路后产生不同的光衰减值S₁、S₂、……、S_N-1和S_N后至光合束单元的输出端输出，所产生的N个衰减值呈一定梯度。并且，相邻的衰减值最大间距Step小于等于可调光衰减器的动态范围。测量未加固定光衰减器前N条可选通光路的固有插损值为IL₁、IL₂、……、IL_N-1和IL_N，则相应配置的固定光衰减器的衰减值为S₁-IL₁、S₂-IL₂、……、S_N-1-IL_N-1和S_N-IL_N。

采用1×N光路切换单元11、N个固定光衰减器以及1×N光合束单元21等可靠性大大高于一般可调光衰减器的器件，通过对其进行组合控制，实现多档位衰减的高稳定切换，达到高可靠的几个特定大衰减的切换。进一步，利用可调光衰减器3在小衰减值时精度较高的特性，通过单个可调光衰减器实现小动态范围内高精度、高可靠的小步进衰减调节。基于上述的几个特定大衰减切换和小动态范围的高精度高可靠光衰减调节，最终实现在整个大动态范围内的高可靠、高精度光衰减调节。

实施例1

本实施例展示了一种在40dB动态范围的高精度可调光衰减系统，该实施例系统的结构如图2所示，包括第一1×4光开关12、并联设置的固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄以及1×4光耦合器22和一个动态范围为10dB、调节精度为0.01dB的可调光衰减器3，其中：第一1×4光开关12的输入端为入射光输入端，所述第一1×4光开关12的4个输出端分别连接各固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄的输入端，各固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄的输出端分别连接1×4光耦合器22的四个分端口，1×4光耦合器22的总端口连接可调光衰减器3的输入端，形成①、②、③以及④四条光衰减路径。

选取调节精度为0.01dB(在10dB内)的可调光衰减器3，系统的档间距设置为等于可调光衰减器3的精确调节范围10dB，当选取固定光衰减器A₁的衰减值为0dB(可以直接用光纤替代)，则固定光衰减器A₂衰减值为10dB，固定光衰减器A₃衰减值为20dB，固定光衰减器A₄衰减值为30dB。对于第一1×4光开关12、1×4光耦合器22以及可调光衰减器3引入为ILdB的固有插损而言，当第一1×4光开关12选通路径①时，通过调节可调光衰减器3可实现IL～IL+10dB光衰减的调节；当第一1×4光开关12选通路径②时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+10～IL+20dB光衰减的调节；当第一1×4光开关12选通路径③时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+20～IL+30dB光衰减的调节；当第一1×4光开关12选通路径④时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+30～IL+40dB光衰减的调节。实际应用中，①、②、③以及④四条光衰减路径在未配置固定光衰减器前，四条路径间的固有插损也具有轻微的差异，这可以通过固定光衰减器选择时进行补偿。

由于第一1×4光开关12、各固定光衰减器和1×4光耦合器22的可靠性高，引入的不确定度低，这样只需利用1个仅可保证在10dB的小动态范围内高精度的可调光衰减器3和四端口的第一1×4光开关12和四端口的1×4光耦合器22，就能实现在整个40dB的大动态范围内高精度的光衰减调节。

实施例2

本实施例展示了一种在40dB动态范围的高精度可调光衰减系统，该实施例系统结构如图3所示，包括由第二1×4光开关13、并联设置的固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄以及第三1×4光开关14和一个动态范围为10dB、调节精度为0.01dB的可调光衰减器3，其中，第二1×4光开关13的输入端为入射光输入端，所述第二1×4光开关13的4个输出端分别连接各固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄的输入端，各固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄的输出端分别连接第三1×4光开关14的4个分端口，第三1×4光开关14的总端口连接可调光衰减器3的输入端，形成①、②、③以及④四条光衰减路径。本实施例与实施例1的区别在于，使用第三1×4光开关14代替1×4光耦合器22。同时选通第二1×4光开关13和第三1×4光开关14的某一路径，即可以实现大档位的光衰减调节。

选取调节精度为0.01dB(在10dB内)的可调光衰减器3，系统的档间距设置为等于可调光衰减器3的精确调节范围10dB，当选取固定光衰减器A₁为衰减值为0dB(可以直接用光纤替代)，则固定光衰减器A₂衰减值为10dB，固定光衰减器A₃衰减值为20dB，固定光衰减器A₄衰减值为30dB。对于第二1×4光开关13、第三1×4光开关14和可调光衰减器3引入为ILdB的固有插损而言，当第二1×4光开关13和第三1×4光开关14同时选通路径①时，通过调节可调光衰减器3可实现IL～IL+10dB光衰减的调节；当第二1×4光开关13和第三1×4光开关14同时选通路径②时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+10～IL+20dB光衰减的调节；当第二1×4光开关13和第三1×4光开关14同时选通路径③时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+20～IL+30dB光衰减的调节；当第二1×4光开关13和第三1×4光开关14同时选通路径④时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+30～IL+40dB光衰减的调节。如此，只需利用1个仅可保证在10dB的小动态范围内高精度的可调光衰减器3和两个四端口的光开关，就能实现在整个40dB的大动态范围内高精度的光衰减调节。同样的，实际应用中，①、②、③以及④四条光衰减路径在未配置固定光衰减器前，四条路径间的固有插损也具有轻微的差异，这可以通过固定光衰减器选择时进行补偿。

实施例3

本实施例展示了一种在60dB动态范围的高精度可调光衰减系统，系统结构如图4所示，包括由顺序级联的第一1×2光开关15、第二1×2光开关16、第三1×2光开关17、并联设置的固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄以及顺序级联的第一1×2光耦合器23、第二1×2光耦合器24以及第三1×2光耦合器25和一个动态范围为15dB、调节精度为0.01dB的可调光衰减器3，其中，第一1×2光开关15为输入端为系统输入端，所述第一1×2光开关15的一个输出端连接第二1×2光开关16的输入端，所述第二1×2光开关16的一个输出端连接第三1×2光开关17的输入端，所述第一1×2光开关15和第二1×2光开关16的剩余输出端以及第三1×2光开关17的两个输出端分别连接各个固定光衰减器A₁、A₂、A₃和A₄的输入端，固定光衰减器A₁、A₂的输出端分别连接第一1×2光耦合器23的分端口，固定光衰减器A₃、A₄的输出端分别连接第二1×2光耦合器24的分端口，所述第一1×2光耦合器23和第二1×2光耦合器24的总端口分别连接第三1×2光耦合器25的分端口，第三1×2光耦合器25的总端口连接可调光衰减器3的输入端，形成①、②、③以及④四条光衰减路径。本实施例与实施例1的区别在于，1×4的光开关由3个1×2的光开关级联而成，1×4的光耦合器由2个1×2的光耦合器级联而成。当然，本领域一般技术人员很容易理解，1×N的光开关由1×2或小于N的光开关级联而成，1×N的光耦合器由1×2或小于N的光耦合器级联而成。

选取调节精度为0.01dB(在15dB内)的可调光衰减器3，系统的档间距设置为等于可调光衰减器3的精确调节范围15dB。因为该实施例中各路径经过器件不一致，固有插损相差较大。不妨以一般的情况来举例，一般来说光开关插损大约0.5dB，光耦合器插损大约3.7dB，则在未配置固定光衰减器前，路径①固有插损约0.5+3.7+3.7＝7.9dB，路径②固有插损约0.5+0.5+3.7+3.7＝8.4dB，路径③固有插损约0.5+0.5+0.5+3.7+3.7＝8.9dB，路径④固有插损约0.5+0.5+0.5+3.7+3.7＝8.9dB。当选取固定光衰减器A₁衰减值为0dB(可以直接用一段光纤代替)，则固定光衰减器A₂衰减值为14.5dB，固定光衰减器A3衰减值为29dB，固定光衰减器A4衰减值为44dB。如此，当第一1×2光开关15选通路径①时，通过调节可调光衰减器3可实现7.9～7.9+15dB光衰减的调节；当第一1×2光开关15配合第二1×2光开关16选通路径②时，通过调节可调光衰减器3可实现7.9+15～7.9+30dB光衰减的调节；当第一1×2光开关15配合第二1×2光开关16、第三1×2光开关17选通路径③时，通过调节可调光衰减器3可实现7.9+30～7.9+45dB光衰减的调节；当第一1×2光开关15配合第二1×2光开关16、第三1×2光开关17选通路径④时，通过调节可调光衰减器3可实现7.9+45～7.9+60dB光衰减的调节。

即通过控制级联的第一1×2光开关15、第二1×2光开关16以及第三1×2光开关17，可以选通①②③④路中的一路，完成高可靠的档位切换，再通过可调光衰减器3实现档内高精度光衰减调节，最终实现在整个60dB的大动态范围内高精度的光衰减调节。

实施例4

本实施例展示了一种在80dB动态范围的高精度可调光衰减系统，该实施例系统的结构如图5所示，包括1×8光开关18、并联设置的固定光衰减器A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇和A₈以及1×8光耦合器26和一个动态范围为10dB、调节精度为0.01dB的可调光衰减器3，其中：1×8光开关18的输入端为入射光输入端，所述1×8光开关18的8个输出端分别连接各固定光衰减器A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈的输入端，各固定光衰减器A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇、A₈的输出端分别连接1×8光耦合器26的八个分端口，1×8光耦合器26的总端口连接可调光衰减器3的输入端，形成①、②、③、④、⑤、⑥、⑦以及⑧八条光衰减路径。

选取调节精度为0.01dB(在10dB内)的可调光衰减器3，系统的档间距设置为等于可调光衰减器3的精确调节范围10dB，当选取固定光衰减器A₁的衰减值为0dB(可以用一段光纤代替)时，则固定光衰减器A₂衰减值为10dB，固定光衰减器A₃衰减值为20dB，固定光衰减器A₄衰减值为30dB，固定光衰减器A₅衰减值为40dB，固定光衰减器A₆衰减值为50dB，固定光衰减器A₇衰减值为60dB，固定光衰减器A₈衰减值为70dB。对于1×8光开关18、1×8光耦合器26以及可调光衰减器3引入为IL dB的固有插损而言，当1×8光开关18选通路径①时，通过调节可调光衰减器3可实现IL～IL+10dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径②时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+10～IL+20dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径③时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+20～IL+30dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径④时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+30～IL+40dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径⑤时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+40～IL+50dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径⑥时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+50～IL+60dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径⑦时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+60～IL+70dB光衰减的调节；当1×8光开关18选通路径⑧时，通过调节可调光衰减器3可实现IL+70～IL+80dB光衰减的调节。由于1×8光开关18、各固定光衰减器和1×8光耦合器26的可靠性高，引入的不确定度低，这样只需利用1个仅可保证在10dB的小动态范围内高精度的可调光衰减器3和八端口的1×8光开关18和八端口的1×8光耦合器26，就能实现在整个80dB的大动态范围内高精度的光衰减调节。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。