4. 节点核心器件选型

光纤量子网络节点并不是把若干“量子器件”简单拼在一起，而是一条从光子产生、编码、路由、滤波到探测的完整信号链。选型的核心不是追求单项指标最高，而是让各器件的波长、带宽、偏振、时延、效率和噪声彼此匹配，使整条链路的端到端性能达到可接受水平。本节围绕七类核心器件，说明各自的关键指标以及它们之间的匹配关系。

一、光源：单光子源与纠缠源

单光子源的关键指标包括中心波长、光谱带宽、单光子纯度（二阶关联 g²(0)）、不可分辨性（Hong-Ou-Mandel 干涉可见度）、重复频率和收集效率。以通信波段为例，若采用 InGaAs 量子点器件，典型中心波长约 1550 nm，带宽约 0.1～0.3 nm，重复频率 76 MHz～1 GHz。g²(0) 越小越好，通常要求小于 0.1；不可分辨性用 HOM 可见度衡量，一般要求大于 80%。

纠缠源常用自发参量下转换（SPDC）或自发四波混频（SFWM）产生偏振或时间-能量纠缠。关键指标是纠缠保真度、Bell 不等式违背量 S 值、符合计数率和光子对带宽。SPDC 的带宽可达数十纳米，必须与后续滤波器和探测器带宽匹配，否则会引入色散和噪声。

光源与探测器的匹配要点是波长一致、带宽不超出滤波器通带、重复频率与探测器死时间和符合电路时间窗协调。例如探测器死时间为 10 ns，则光源重复频率不宜超过 100 MHz，否则会出现计数丢失。

二、探测器：SPD 与 SNSPD

单光子探测器主要分两类：InGaAs/InP 雪崩二极管（SPAD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SPAD 的关键指标是探测效率（10%～30%）、暗计数率（10⁻⁵～10⁻⁶/ns）、死时间（约 10～100 ns）和时间抖动（约 50～200 ps）。SNSPD 的探测效率可达 80%～95%，暗计数率低至 10⁻³ cps 量级，时间抖动约 3～20 ps，但需要 2～4 K 低温环境。

选型时需注意：若系统要求高时间同步精度（如时间-bin 编码），应优先选 SNSPD；若成本受限且速率不高，SPAD 可满足需求。探测器效率直接决定链路预算，例如光源每脉冲平均光子数 0.1、链路损耗 10 dB、探测器效率 20%，则每脉冲探测概率约为 0.1×0.1×0.2=0.002，即约 500 个脉冲才有一个计数。

三、光开关与滤波器

光开关用于节点内路径切换，关键指标是切换时间、插入损耗、串扰和通道数。机械式光开关插入损耗低（约 0.5 dB），但切换时间在毫秒级；电光开关切换时间可达纳秒级，但插入损耗较高（约 2～4 dB）。在量子网络中，若需与探测器同步，开关切换时间应小于光子到达间隔。

滤波器用于抑制拉曼散射和背景噪声，关键指标是通带宽度、带外抑制比和插入损耗。常见的有窄带滤波片（带宽约 0.1～1 nm）、阵列波导光栅（AWG）和法布里-珀罗滤波器。滤波器带宽必须覆盖光源带宽，同时尽量窄以抑制噪声。例如 SPDC 光源带宽 10 nm，若滤波器带宽 0.5 nm，则约 95% 的光子被滤除，需在效率与噪声之间权衡。

四、环形器与波分复用器

环形器实现光信号的单向隔离与路由，关键指标是插入损耗（约 0.5～1 dB）、隔离度（>40 dB）和回波损耗。它常用于将探测器与光源隔离，防止强光返回损坏探测器。

波分复用器（WDM）用于多波长通道的合波与分波，关键指标是通道间隔、插入损耗、隔离度和温度稳定性。在量子网络中，常用 100 GHz 或 200 GHz 间隔的 DWDM 器件，将 1550 nm 波段划分为多个量子通道。WDM 的通道间隔必须与光源波长和滤波器通带匹配，否则会出现通道串扰。

五、器件匹配关系与选型示例

下面给出一个 1550 nm 光纤量子网络节点的选型示例，用于说明各器件如何匹配。假设节点需要支持 4 个量子通道、时间-bin 编码、符合计数率约 10⁴ cps。

匹配检查时，应重点核对以下参数：光源波长与 WDM 通道中心波长偏差应小于 0.1 nm；滤波器带宽应大于光源带宽但小于 WDM 通道间隔；探测器死时间应小于光源脉冲间隔；光开关切换时间应小于脉冲周期。若某一项不满足，需重新调整选型或增加补偿措施。

上图的信号链顺序为：光源→滤波器→WDM→光开关→环形器→探测器。实际节点中，环形器也可能位于光源与链路之间，用于隔离回波；WDM 可能同时承担合波与分波功能。选型时应根据具体拓扑调整顺序，但匹配约束不变。

最后，建议在选型完成后做一次端到端预算核算：从光源发射概率出发，逐级乘以各器件传输效率，再乘以探测器效率，得到单次尝试的探测概率。若该概率低于系统要求，应优先提升探测器效率或降低滤波器损耗，而不是盲目提高光源功率，因为后者会引入多光子噪声，破坏量子特性。