FLIM LABS S.r.l.和TEDIEL S.r.l.

摘要：

量子光子学在计算、密码学、计量和传感领域展现出突破性潜力，但其复杂性和高昂成本往往令其难以企及。我们推出了一款完全集成的PC控制量子光子学套件，将稳定激光器、单光子探测器与高分辨率单光子计数器整合于紧凑单元。凭借直观的软件设计和模块兼容性，该系统可实现122皮秒均方根响应时间、高达3.5Mcps的实时处理能力，以及低于1.5ps/15ps的DNL/INL值。这款经济实惠且便携的交钥匙系统，通过让新兴实验室和教育项目能够轻松获取高性能量子光子学技术，为前沿研究、教学和科普工作带来普惠性突破。

简 介

量子光子学为新型科学与工业范式奠定基础，驱动着光量子计算[7]、量子密钥分发[8]、量子增强计量学[9]和量子分辨率成像[10]等前沿领域的发展。这些应用需要集成化仪器设备——包括稳定脉冲激光器、低噪声单光子探测器以及高分辨率时间数字转换器——以实现光子生成、检测与计时的精准稳定。然而，这些组件往往存在碎片化、成本高昂及操作复杂等问题，导致小型研究团队、教育机构及科普项目难以获得这些设备的支持。

图1：量子光子学套件的示意图，灰色[2]显示FLIM LABS [1]激光器，黑色[3,4]显示单光子探测器，灰色[6]显示TEDIEL [5] FELIX TDC模块，橙色带状[6]显示运行在PC上的TDC软件。

为解决这些挑战，FLIM LABS [1]和TEDIEL [5]推出了紧凑、集成且高性能的量子光子学套件（图1），该套件可通过单台PC实现全面控制。量子光子学套件集成了三个核心模块：

• 光纤耦合脉冲激光模块：提供高达150 mW的峰值功率，50 ps的FWHM脉宽，重复频率高达80 MHz [2]。由FLIM LABS S.r.l.开发。

• 单光子雪崩二极管（SPAD）探测器：支持高达3.5 Mcps的计数率，150 ps均方根定时抖动，以及7 cps的超 低暗计数率[3,4]。由FLIM LABS S.r.l.开发。

• FELIX TDC模块：提供12 ps r.m.s.单次精确脉冲和高达140 Msps的处理速率[6]。由TEDIEL S.r.l.开发。

整个系统实现了122 ps r.m.s的仪器响应函数（IRF）、高达3.5 Mcps的实时吞吐量以及微分/积分非线性（DNL，INL）分别低于1.5皮秒和15皮秒，使其成为量子光学实验中光子符合、时间标记和统计事件重建的理想选择。该设备集成度高、设计紧凑、成本低廉且界面直观，不仅适用于前沿研究，更可应用于高校教学、实操培训及科研成果传播。我们致力于通过提供一套完整、易用且高性能的解决方案，让量子光子学仪器真正走进千家万户，为科研人员、教育工作者和学生群体赋能。

关于系统组件（包括激光模块、SPAD探测器和FELIX TDC）的所有技术细节均在第2节中详细阐述。第3节重点讨论了系统的线性验证，而第4节则对仪器响应函数（IRF）进行了深入表征分析。最后，第5节通过实验衰减时间测量，生动展示了该套件在实际量子光子学应用中的卓越效能。

材料和方法

在以下小节中，我们将描述构成量子光子学套件的每个模块的规格和运行特性：激光器（第2.1节）、SPAD探测器（第2.2节）和FELIX TDC（第2.3节）。

2.1 FLIM LABS，皮秒脉冲激光模块

量子光子学套件集成的激光模块[2]是一款紧凑型高性能脉冲光源，通过USB Type-C接口供电，并采用FlimLABS [1]生产的135×110×50毫米机箱封装。该设备支持405、445、488、520、532、635和850纳米等多波长选择，为量子光学及荧光应用提供灵活解决方案。其脉宽低至50皮秒（半高全宽），可调谐重复频率范围覆盖1 kHz至80 MHz，峰值功率最高可达150毫瓦。输出通过标准FC/PC单模光纤耦合，确保轻松稳定地集成到光学系统中。该激光器支持内外触发模式，接口兼容LVTTL（50Ω端接）和LVDS标准。用户既可通过PC软件配置参数，也可通过前面板的三个符合人体工学旋钮手动调节功率、重复频率及工作模式（连续或外部触发）。所有性能指标详见表1。

表1：FLIM LABS的USB供电皮秒脉冲激光器模块的性能参数。

参数	值【2】
尺寸	135×110×50 mm
供电	USB Type-C
波长	405, 445, 488, 520, 532, 635, 850 nm
脉宽	低至50 ps（FWHM）
重复频率	1 kHz至80 MHz
峰值功率	高达150 mW
光学输出	单模FC/PC
触发方式	内部触发 或 外部触发
控制方式	软件控制 或 手动控制

2.2 FLIM LABS，单光子雪崩二极管探测器

这款高性能单光子探测器（SPAD）提供两种光谱版本，均由FLIM LABS公司[1]研发生产，分别针对红光波段[3]（即红移单光子SPAD探测器）和蓝光波段[4]（即蓝移单光子SPAD探测器）进行优化。两种配置共享同一硬件平台和机械尺寸，采用桌面级机箱设计（尺寸127×77×40毫米），通过USB Type-C接口供电，实现最大便携性和易用性。探测器采用标准光纤耦合接口，可轻松集成到光学系统中；其电信号输出通过2.5 V、50Ω阻抗的LVTTL接口实现。

红移版本[3]的光谱响应范围覆盖400-1000纳米，支持高达3Mcps的高速检测，并在630纳米处达到峰值灵敏度。其暗计数率低至约20cps，时间抖动低于150皮秒均方根值，最大入射光功率可达50µW。而蓝移版本[4]则设计用于370-900纳米光谱范围，其峰值灵敏度中心位于450纳米，计数率可达3.5Mcps。这个型号提供了更低的按计数率，为每秒7cps，时间抖动低于200ps，同时保持相同的50µW最大入射功率。所有性能指标总结在表2和表3中。

表2： FLIM LABS的红移SPAD探测器的性能数据。

参数	值【3】
光谱响应范围	400–1000 nm
灵敏度峰值波长	630 nm
时间抖动（r.m.s.）	< 150 ps
暗计数率	20 cps
最大计数率	3 Mcps
感光区域	50 µm
最大瞬时光功率	50 µW
光学接口	FC类型
信号输出	LVTTL 2.5 V @ 50Ω
供电	USB Type-C
外形尺寸	127×77×40 mm

表3：FLIM LABS的蓝移SPAD探测器的性能数据。

参数	值【4】
光谱响应范围	370—900 nm
灵敏度峰值波长	450 nm
时间抖动（r.m.s.）	< 150 ps
暗计数率	7 cps
最大计数率	3.5 Mcps
感光区域	50 µm
最大瞬时光功率	50 µW
光学接口	FC类型
信号输出	LVTTL 2.5 V @ 50Ω
供电	USB Type-C
外形尺寸	127×77×40 mm

2.3  TEDIEL，FELIX数字转换器

Felix TDC[6]是由TEDIEL公司[5]研发的高精度多通道设备（含2个测量通道及同步通道），专为严苛的时间标记和光子计数应用设计。该设备单次测量精度达12皮秒均方根值，死时间极低，仅12纳秒（即通道吞吐量高达8千万次/秒）。其线性度表现优异，绝对积分非线性度低于19皮秒，微分非线性度控制在0.8皮秒以内，确保时间重建精准可靠，统计直方图生成稳定可靠。

除了能够向PC传输高达7 Msps的经典时间标记模块外，FELIX的优势在于其双硬件直方图引擎，可实现高达140 Msps的全局输入事件速率的高速检测。这些功能支持实时处理密集光子流和高频定时信号，无数据丢失。

输入模块支持0V至3.3 V电压范围，配备可编程阈值功能（0V至2.5 V区间，分辨率达38µV），兼容标准LVTTL信号源及定制信号源。FELIX系统通过直观的软件界面实现全功能操作，同时支持Python和C++语言库编程控制，兼容Linux和Windows双平台。这种灵活性使其成为量子光子学教育实验与高级研究项目的理想选择。所有性能指标详见表4。

表4：TEDIEL的FELIX TDC的性能数据。

参数	值【6】
单次精度	12 ps r.m.s.
通道数目	2 通道 + 同步通道
死时间	12 ns
通道速率	80 Msps
总速率	140 Msps
绝对INL	< 19 ps
绝对DNL	< 0.8 ps
输入电压范围	0 — 3.3 V
可编程阈值	0 — 2.5 V
软件	GUI、Python/C++API
兼容性	Linux和Windows

线性度测试

通过使用激光器和连接在FELIX单光子计数器1号通道的红移型雪崩光电二极管（SPAD）探测器进行码密度测试（CDT），我们获得了线性度数据。该测试通过生成两个不相关的电信号来实现，其中CDT数据实时采集自FELIX时间数字转换计数器（TDC）的两个可用硬件直方图之一。实验在最大功率下采用不同激光频率进行，同时调节红色SPAD的不同工作速率。所有测试案例中，绝对延迟非线性（DNL）值均低于1.5皮秒，绝对积分非线性（INL）值除80 MHz频率外，其他频率下均观测到小于15 ps的绝对非线性干涉（INL）值，其中80 MHz频率下的INL绝对值达到75 ps。表5中，针对每种情况，DNL和INL的数值均以绝对值（即ps)和相对值（以分位间隔（LSB）为单位的倍数）两种形式呈现。

表5：在SPAD不同计数率下进行的线性度测试结果。

激光器 重复频率	SPAD 计数率	绝对 DNL/INL	相对 DNL/INL	Bin 宽度 LSB
80 MHz	2.3 Mcps	0.64/64 ps	0.27/28	2.34 ps
40 MHz	0.3 Mcps	0.74/12 ps	0.16/2.46	4.69 ps
20 MHz	3.6 Mcps	0.66/1.9 ps	0.07/0.20	9.38 ps
10 MHz	4.0 Mcps	0.60/3.6 ps	0.03/0.19	18.75 ps
5 MHz	4.4 Mcps	0.76/2.6 ps	0.02/0.07	37.50 ps
2.5 MHz	4.2 Mcps	0.83/4.4 ps	0.01/0.06	75.00 ps
1.25 MHz	4.0 Mcps	1.46/7.5 ps	0.01/0.05	150.0 ps

仪器响应函数

IRF测试通过测量不同浓度的牛奶和水样本在不同激光功率水平和频率下的光子统计特性进行。具体方法是：将红移型雪崩光电二极管（SPAD）探测器（连接至FELIX TDC的第2通道）与激光信号（连接至第1通道）进行同步观测，实时获取光子与激光信号之间的时间间隔统计信息。这些数据通过FELIX TDC提供的两种硬件直方图功能之一进行实时采集。

表6和图2显示了IRF随激光频率的变化。据推测，IRF的恶化是由于红移型雪崩光电二极管探测器的高计数率引起的堆积效应，因为3.5 Mcps的阈值被明显超过。

表6：在不同激光频率和红移SPAD探测器额定值（即，100%的激光功率和20%的牛奶浓度）下进行的IRF测试结果。

激光器重复频率	SPAD计数率	IRF FWHM/r.m.s.
80 MHz	45 Mcps	1.7/0.7 ns
40 MHz	31 Mcps	592/252 ps
20 MHz	18 Mcps	421/179 ps
10 MHz	11 Mcps	365/155 ps
5 MHz	7.2 Mcps	403/171 ps
2.5 MHz	4.6 Mcps	410/174 ps
1.25 MHz	4.3 Mcps	388/165 ps

图2：IRF测试结果，左侧为统计数据，右侧为FWHM，是在不同的激光频率和红移SPAD探测器计数率下进行的（即，激光功率为100%，牛奶浓度为20%)

表7和图3显示了IRF与牛奶浓度的关系。

表7：在不同牛奶浓度下进行的IRF测试结果（即，激光功率为50%，激光频率为1.25 MHz)。

牛奶浓度	SPAD计数率	IRF FWHM/r.m.s.
20%	2.1 Mcps	346/147 ps
15%	3.1 Mcps	336/143 ps
10%	2.5 Mcps	308/131 ps
5%	3.9 Mcps	336/143 ps

图3：在不同牛奶浓度和红移SPAD探测器计数率（即，激光功率为50%，激光频率为1.25 MHz)下进行的IRF测试结果，左侧为统计数据，右侧为FWHM

表8和图4显示了IRF随激光器功率的变化。在55%时获得最佳IRF，其均方根值为122皮秒或半高全宽为388皮秒。

表8：在不同激光功率和红移SPAD探测器速率下进行的IRF测试结果（即，激光频率为1.25 MHz，牛奶浓度为20%)。

激光器功率	SPAD计数率	IRF FWHM/r.m.s.
100%	2.2 Mcps	363/154 ps
90%	2.2 Mcps	383/163 ps
80%	2.1 Mcps	318/135 ps
75%	2.0 Mcps	374/159 ps
70%	1.9 Mcps	356/151 ps
65%	1.86 Mcps	341/145 ps
60%	1.7 Mcps	332/141 ps
55%	1.6 Mcps	388/122 ps
50%	1.5 Mcps	326/138 ps
40%	1.3 Mcps	343/146 ps
30%	1.2 Mcps	353/150 ps

图4：IRF测试结果，左侧为统计数据，右侧为FWHM，是在不同功率和红移SPAD探测器计数率下进行的（即激光频率为1.25 MHz，牛奶浓度为20%)

 试验性的荧光寿命测量

在激光器以最大功率运行并采用四种不同重复频率（即80、40、20和10 MHz)时，我们测量了荧光笔内部液体的衰减寿命。与先前测试相同，激光器连接至FELIX TDC的通道1，而红移型雪崩光电二极管探测器则连接至通道2。表9中列出的衰减寿命值是通过对FELIX TDC机载硬件直方图模块实时采集的直方图进行指数拟合获得的。

图5：在不同激光频率和红移SPAD探测器计数率下进行的衰减寿命结果统计（即，激光功率为50%)

图5展示了采集到的统计数据。此外可以观察到，在80 MHz和40 MHz频率下，周期（即12.5纳秒和25纳秒）过短，无法完整捕捉指数衰减过程（即40纳秒）。这解释了表9中记录的衰减寿命值（8.5纳秒和8.3纳秒）与在10 MHz和20 MHz频率下获得的结果（即8纳秒）之间的差异——在10 MHz和20 MHz条件下，完整的衰减趋势清晰可见。

表9：在不同激光重复频率和红移SPAD探测器计数率（即，50%的激光功率）下进行的衰减寿命结果。

激光器重复频率	SPAD计数率	衰减寿命值
80 MHz	25 Mcps	8.5 ns
40 MHz	16 Mcps	8.3 ns
20 MHz	8 Mcps	8.0 ns
10 MHz	4 Mcps	8.0 ns

总结

量子光子学在实现量子计算、安全通信、精密测量和先进传感等领域的下一代技术方面具有重要前景。然而，量子光子实验的实际应用常受困于系统复杂、成本高昂以及组件间缺乏集成化设计等问题。本研究通过开发一款紧凑型、高性价比且完全集成的量子光子学套件，成功攻克了这些技术瓶颈。该系统将稳定激光器、单光子探测器及高分辨率时间标记电子设备等核心模块整合为统一平台，用户仅需一台电脑即可实现全功能操控。

该方案展现出卓越性能：仪器响应函数（IRF）达到122皮秒均方根值，实时数据采集速率高达每秒3.5Mcps，线性度优异，延迟非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别低于1.5皮秒和15皮秒。这些特性使其成为从时序分析、相关性研究到光子统计重建等广泛应用场景的理想选择。

除了技术实力之外，该系统的易用性和直观的软件界面使其特别适合新兴研究实验室、学术教学和公众参与项目。通过降低准入门槛，这项工作通过高性能、集成化和易用的解决方案，为量子技术的广泛普及做出了贡献。

参考文献

[1] FLIM LABS S.r.l., “Flim labs s.r.l.” https://www.flimlabs.com, 2025, accessed: 2025-06-19.

[2] ——, “Flim labs s.r.l.” https://www.flimlabs.com/products/usb-powered-laser-module/.flimlabs.com/products/usb-powered-laser-module/,2025,accessed: 2025-06-19.

[3] ——, “Red-shifted spad detector specifications,” https:///www.flimlabs.com/products/red-shifted-single-photon-spad-detector/, 2025,accessed: 2025-06-19.

[4] ——, “Blue-shifted spad detector specifications,” https:///www.flimlabs.com/products/single-photon-spad-detector/, 2025, accessed:2025-06-19.

[5] TEDIEL S.r.l., “Tediel s.r.l.” https://tediel.com/,2025, accessed: 2025-06-19.

[6] ——, “Felix,” https://tediel.com/products/felix/,2025, accessed: 2025-06-19.

[7] J. L. O’Brien, A. Furusawa, and J. Vu”kovi#,“Photonic quantum technologies,” Nature Photonics,vol. 3, no. 12, pp. 687–695, Dec 2009. [Online].Available: https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.229

[8] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N. J. Cerf,M. Du$ek, N. Lütkenhaus, and M. Peev, “Thesecurity of practical quantum key distribution,”Rev. Mod. Phys., vol. 81, pp. 1301–1350, Sep2009. [Online]. Available: https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.81.1301

[9] V. Giovannetti, S. Lloyd, and L. Maccone, “Quantummetrology,” Phys. Rev. Lett., vol. 96, p. 010401, Jan2006. [Online]. Available: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.96.010401

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