强度干涉测量法

Fri, 18 Jul 2025 00:00:00 +0000

This page details the principles and advantages of intensity interferometry, a powerful technique in optical astronomy used to measure stellar diameters and spatial structure through photon correlation. Swabian Instruments’ Time Taggers enable high-precision, scalable, and synchronized intensity interferometry experiments with picosecond timing resolution, real-time data processing, and long-baseline support.

光探测磁共振 (ODMR)

Fri, 28 Feb 2025 00:00:00 +0000

Optically detected magnetic resonance (ODMR) is a powerful technique widely used in quantum sensing, magnetic field measurement, and material analysis.

光子数分辨 (PNR)

Fri, 23 Feb 2024 00:00:00 +0000

Photon number resolution (PNR) is an enabling technique used to assign the number of photons involved in a detection event precisely.

线性光学量子信息 (LOQI)

Tue, 25 Mar 2025 00:00:00 +0000

Explore Linear Optics Quantum Information (LOQI) and its applications in quantum computing and secure communication. Learn about Swabian Instruments’ Time Taggers and their role in precise photon detection, timing, and analysis for advanced quantum experiments.

光子集成电路 (PIC)

Sat, 11 Oct 2025 00:00:00 +0000

引言

什么是光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PIC）与时间标记电子学？

光子集成电路（PICs）是一种芯片级器件，在单一衬底上或同一封装内集成或共封装激光源、调制器、波导、探测器等光学组件。该器件为高速光通信、量子光子技术及生物传感应用提供了可扩展的小型化平台，适用于硅光子学（Si）、氮化硅（SiN）及磷化铟（InP）等多种平台。

在更广泛的应用场景中，光子集成电路正逐渐成为短距离数据中心、片间互连、电信网络、量子通信及传感领域的核心组分。相较于体光学器件，PICs在尺寸、稳定性、成本及可重复性方面具备显著优势，可支持晶圆级大批量制造。

PICs直接解决了当前电子系统的关键局限，能提升数据吞吐量，实现T bit/s的链路传输，且具备低延迟、高带宽的互连特性，性能优于铜基互连技术 ¹。例如，在激光雷达（LiDAR）领域，PICs可实现固态光学相控阵，支持片上光束操控，在适配架构中省去了运动组件，同时减小了器件体积，并降低了成本 ²。

从早期的集成光学实验到现代硅光子学技术，PICs 已历经数十年发展，取得了阵列波导光栅、密集波分复用等里程碑式成果 ³。近期，光子集成电路的应用已超越电信领域，拓展至人工智能加速器共封装光学及片间链路等场景 ⁴。

封装与测试是PICs研发与制造的关键环节。光纤阵列、光斑尺寸转换器（倒锥/模式转换器）及微光学器件的技术进步，降低了插入损耗并放宽了对准公差。反馈控制对准技术加速了第一信号的获取，稳定了从晶圆探针到最终封装的耦合性能。在量子光子学及超快应用中，精准、低抖动的计时至关重要。核心测量内容包括时间相关单光子计数（TCSPC）、寿命测量、多光子符合测量、g(2)关联分析、片上HOM干涉测试，以及高速调制器与接收器的延迟/抖动表征。这些需求凸显了下文将讨论的时间标记电子设备的核心作用。

实验需求

PICs所需时序电子设备

图1展示了典型的PIC测试平台。该平台将片上或共封装探测器（如单光子雪崩二极管 SPADs、超导纳米线单光子探测器 SNSPDs 或高速光电二极管）的电输出路由至多通道时间数字转换器（TDC）。同时，平台还需要采集激光触发信号、时钟参考信号、扫描或步进信号等外部标记。使用内部共享时钟可保障多通道计时同步，数字 I/O 线协调调制器驱动波形、探测器门控、光开关触发及探针卡继电器，确保数据采集与设备控制保持对齐。在此基础上，时序电子设备支持多种关键测量类型：提供时间相关单光子计数与符合分析，用于寿命测量、g(2)关联分析、HOM干涉测试及其它片上测试；实现高速调制器与接收器的延迟和抖动表征；支持MZ干涉仪、阵列波导光栅、量子门等干涉型或相位参考型电路的多通道同步。为保证器件级测量保真度，需具备皮秒级时间戳记录能力，且需满足附加抖动低、线性度与热稳定性经校准、通道间偏移已知等要求，同时需支持连续无丢失数据流传输，以实现实时直方图绘制、符合事件分析与数据记录。具备上述特性后，能够可靠地关联多条光路的事件，并在不同扫描参数、温度或偏置点下进行对比。该同步工作流程可广泛适用于多领域，例如晶圆首光探测、高通量封装级测试等。

PIC测试对时序电子设备的精度、可扩展性与灵活性均有要求。实际应用中面临多项挑战，每项挑战均对应可靠高效测量所需的具体性能指标：

皮秒级分辨率与低抖动： 光子到达时间测量、干涉相位稳定性测试、延迟/抖动表征等诸多 PIC 测量场景均要求低于10 ps的分辨率，抖动过大或精度不足会严重影响测量结果。
可扩展的等效通道： 实验常涉及多个探测器或多条光路。具有固定架构的通道配置，例如固定的“start–stop”通道，其中某些输入是永久分配的，无法跟上不断发展的PIC设计。因此，需配备8至32个及以上全等效、可独立触发的通道，以支持灵活的同步测量。
高通量低延迟数据处理： 传统系统常存在光子传输延迟问题，导致光子到达信号与触发信号丢失或错位，高效低延迟数据流传输可确保探测器与通道间的准确无丢失关联。
最小化探测开销： 晶圆级或高密度测试中，手动重新连接会延长研发周期并引入误差。设备需兼容光纤阵列、光开关与自动路由系统，以支持高通量工作流程。
实时数据处理： 仅支持离线分析会减慢实验反馈速度，增加迭代测试复杂度。实时计算直方图、符合事件与相关性数据，可在采集过程中实现更快的参数优化与更深入的结果分析。
通道间精准同步： 涉及多路径干涉或量子电路的PIC实验要求所有输入输出端口的计时严格对齐，稳定的通道间偏移与可扩展的同步能力，是实现可靠、相位稳定测量的基础。

解决方案

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger提供精确测量PIC的先进方案

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger具备PIC测试与量子光子学研究所需的精度、可扩展性及灵活性。其皮秒级精度、可扩展通道与实时数据处理能力的结合，在PIC 研发与表征中展现出无与伦比的性能与灵活性。

在SIRIUS 5等自动化测试平台中 ⁵，Time Tagger 模块可通过光纤基触发信号或光子探测模块无缝集成，用于实时评估光子到达时间与损耗通道。这种多功能性使其成为PIC领域科研与生产流程的强大工具。

可扩展性：

所有输入通道均为全等效设计且可独立触发，摒弃了通道配置中的固定架构限制。单台设备支持最多20个通道，且最多8台设备可同步工作，能满足多探测器、复杂光路的实验需求。

支持自动化高通量工作流程：

Time Tagger 可与光纤阵列、光开关及探针卡继电器无缝集成，减少手动重新配置操作，支持快速可靠的晶圆级或封装器件测试。

实时处理能力：

采集过程中可实时计算直方图、相关性分析、符合分析等多项测量结果。内置 APIs 支持通过数行代码实现实时多维分析，提供即时反馈，加速实验迭代。

时间精度：

抖动性能低至1.5 ps，具备皮秒级时间分辨率，可确保光子到达时间、相位稳定性、器件延迟及干涉测量的准确性。

高通量低延迟数据流：

基于现场可编程门阵列（FPGA）的链路可实现连续无丢失数据传输，且延迟极低，确保光子到达信号、触发信号与耦合信号保持对齐，无数据丢失。

Brandon Ginkemeyer, Harvard

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

I really like the Swabian Instrument’s usability and reliability. A senior student in my neighboring group said that the Time Tagger is his favorite instrument.

Dr. Ted S. Santana, NPL