IDQ探测器应用于单光子光时域反射仪
We have been using ID Quantique’s ID900 Time Controller for more than a year now. It makes our photon counting experiments more efficient and greatly improves the experimental results. In addition, its rich functions also meet the needs of other groups in the InQuLabs, and the multi-input and multi-output design allow it to be used by different groups at the same time. More importantly, ID Quantique provides timely technical support and provide continuous firmware updates to improve the performance of the device
Dr. Bin Li University of Electronic Science and Technology of China
我们使用ID Quantique的ID900时间控制器已有一年多了。它使我们的光子计数实验更加有效，并大大提高了实验结果。此外，其丰富的功能还可以满足InQuLabs中其他小组的需求，而且多输入和多输出设计允许它同时供不同小组使用。更重要的是，ID Quantique提供及时的技术支持并提供连续的固件更新以提高设备的性能。
李斌博士（音译） 电子科技大学
此外IDQ的系列仪器还应用于阿丽亚娜6号运载火箭的OTDR项目里。
背景介绍
光纤处于多种先进技术应用的最前沿，例如快速通信网络，强大的激光器和精确的传感器。随着科学家和工程师不断突破这些技术的局限性，需要精确的光纤表征方法。而光时域反射仪（optical time-domain reflectometer，OTDR）就是这样的仪器，它通过对测量曲线的分析，了解光纤的均匀性、缺陷、断裂、接头耦合等若干性能。单光子探测器在构建光时域反射仪时具有独特的优势，因为它们结合了极高的灵敏度和出色的定时精度（<100ps），从而对损耗具有很高的容忍度，并具有很高的空间分辨率（1 cm）。在本文中，我们将概述如何使用单光子技术构建定制的光学时域反射仪以满足用户所需，以及如何选择单光子检测器。
系统简介
典型的OTDR设置如图1所示。脉冲激光（ID300）产生光脉冲（<300ps），光脉冲通过50:50分束器注入被测光纤（FUT）。该分束器将50％的反向散射光导向快速单光子检测器（ID230）。使用ID900时间控制器（TDC功能）记录激光脉冲和光子返回之间的时间延迟，并在计算机上以直方图形式显示。就图1而言，FUT由两根多模（MMF-62.5µm）光纤组成，第一根长2m，第二根长1m。所使用的耦合器和检测器也是MMF-62.5。
图1典型的OTDR设置，测量的精度可以达到1cm，光纤内存在缺陷会导致强烈的激光反射。
测量
激光重复频率设置为100 kHz，来获得ID230探测器的效率设置为25%。ID230的死时间设置为10µs，这大大减少了后脉冲。注入到系统中的平均光功率为6.69nW，导致来自光纤端的强烈反射使ID230饱和。但是，在这种高功率下，瑞利背向散射远远超出了检测器的噪声背景，从而可以估算连接器的损耗。为了准确地测量峰值处反射光的幅度，需要使用较低的激光功率进行补充测量。
图2：采用图1所示的设置进行的OTDR结果。 OTDR 50:50对是第一个光束，随后两个峰值是OTDR连接器和光纤连接器（图1中的C1和C2）的反射，而最后一个峰值是光纤端的反射。OTDR耦合器之后的背景来自于瑞利背向散射，而耦合器之前的背景则归因于检测器噪声。
图2显示了将激光脉冲注入FUT之后特定时间内探测器结果的直方图。图2的y轴是对数显示的，以便观测大范围内的强度变化。x轴根据时间延迟（底部）和距离（顶部）绘制。距离根据光在光纤中的传播速度计算得到。由于OTDR是“往返”系统，因此测得的时间延迟和衰减都要乘以2。
结果
定性地观察OTDR结果，很容易观察到光纤的结构：在短距离内，在将激光注入光纤之前，所有计数仅来自噪声。OTDR光纤耦合器在FUT之前1m处会产生一个小的反射峰，比瑞利反向散射高20 dB。d = 0处的下一个峰值归因于OTDR输出和FUT之间的连接。该峰值比反向散射高30dB，比测量本底噪声（N）高40dB。 FWHM为300ps，由激光脉冲控制，峰值在-30dB处出现一条小的尾巴（2ns）。第二个连接器在光纤末端之前以2m的距离进行另一次反射，从而产生非常强的反射。请注意，来自光纤端的强烈反射可能包含多个光子，并始终触发检测器，使其“饱和”。在这一点之后，由于光不会返回，而且还因为检测器始终是饱和的，因此没有检测到检测结果。在较低功率下进行的不使检测器饱和的测量表明，光纤末端峰值比第一个和第二个连接器峰值高25dB。如果系统中存在强反射，则必须使用门控检测器测量，例如ID210，以便可以在强反射期间将其关闭，以防止探测器饱和和死时间。对于此测试，可以将OTDR获得的结果进行定量计算与功率计（PM）测得的实际损耗进行比较。在光纤末端和C1处测得的光量分别为6.34 nW和6.69 nW。具体结果如下表所示，可以看到我们的单光子OTDR系统和功率计直接测量结果基本一致。
图3，远程单光子OTDR测量（来自于https://arxiv.org/pdf/1001.0694.pdf）
表1，OTDR测量的定量计算结果与功率计比较
以上测量表明，即使对于短纤维（长度小于1m）之间的连接器，也可以定量测量损耗。光子计数器具有很高的灵敏度，还可以进行远距离OTDR测量（最长200 km）。图3中报道的远程单光子OTDR即是其中一例。
使用ID900时间控制器的OTDR设计
在另外一个用户例子里（文章见参考文献），来自于电子科技大学的InQuLabs（Information and Quantum Laboratories）开发了一种独立于光纤色散效应的PC-OTDR（光子计数OTDR）系统，以消除对高性能短脉冲激光器的需求，并在长距离光纤链路上保持空间分辨率不变。
由于PC-OTDR的空间分辨率与激光脉冲宽度直接相关，因此短脉冲对于实现高空间分辨率至关重要。但是短的激光脉冲具有较大的光谱带宽，这会由于光纤色散而导致脉冲展宽，从而导致空间分辨率的不可避免的下降。而InQuLabs开发的光子计数OTDR系统使用单光子检测和基于高速TDC的计数，实现了独立于光纤色散效应的PC-OTDR。
图4，使用ID900时间控制器的与独立于光纤色散效应的光子计数OTDR设计，具有超过45公里光纤的FUT。
实验中使用的ID900具有市场上最高的检测率功能，能够在高速模式下以100 ps的时间分辨率检测每个通道100 Mcps。此外，每个输入通道具有内部可调的定时偏移，最大时间段数为16,384，从而更容易记录不同时间段内的输入信号。与其他设备相比，ID900时间控制器的主要优势在于其极高的计数率功能，以及用户友好的GUI和丰富的数据文件保存功能。实验中使用光谱宽度约为30 nm的EDFA（掺铒光纤放大器）用于测试长度超过45 km的被测光纤（FUT）。将ID900时间控制器的时区宽度设置为40 ns，并将EDFA的输出光调制为周期为1.0 ms且脉冲宽度为80.0 ns的脉冲。EDFA激光脉冲的上升沿和下降沿分别为10 ns，这相当于1 m的空间距离。 FUT由六段SMF组成，这两段SMF通过长度分别为50 m，10 m，25 km，20 km，10 m和50 m的连接器连接，以测试空间分辨率随距离的变化以及可能的退化，以及光纤分散造成的问题。
图5，使用我们的PC-OTDR方案，空间分辨率沿FUT保持不变。
为了表明这个系统独立于光纤色散，用户测试了光纤前段和末端的反射。如果系统存在色散，则这两段的分辨率会存在明显差异。可以看到，使用我们的PC-OTDR方案，空间分辨率沿FUT保持不变。
为OTDR系统选择哪个检测器？
检测器的选择将影响OTDR测量。在存在强反射的情况下，ID210的“自由门控”功能可用于在短暂的反射时间内关闭检测器。另一方面，如果要进行很长的距离测量，则超低噪声检测器（例如ID230）将是合适的。 ID230还具有最高的计时精度，并具有有效的亚厘米分辨率。
ID281超导检测器在噪声，速度，重复率和定时分辨率方面提供了卓越的性能，但仅适用于单模光纤。 ID220在许多情况下都可以很好地工作，并且可以很容易地作为OEM组件进行安装，以构成一个完整的系统。
ID230单光子探测器的出色性能（DCR<25Hz，<80ps定时）可以以传统方法无法达到的精度来表征光纤和网络，找到几十甚至几百千米远光纤厘米大小的缺陷。
参考文献
Dispersion independent long-haul photoncounting optical time-domain reflectometry. Opt. Lett. 45(9), (2020) https://doi.org/10.1364/OL.391394