專利名稱：光通信波段單光子高效率探測的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用于量子保密通信系統(tǒng)中，具體的是光通信波段單光子信號通過非線性頻率上轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單光子高效率探測的方法。
背景技術(shù)：
光通信波段的信號是指在中紅外波段的1.3μm和1.5μm的信號光，因為與其它波段相比，光纖對這兩個波段的損耗和色散的影響最小，所以特別能夠適用于單光子信號長距離的光纖傳輸。然而，在量子保密通信系統(tǒng)中，我們需要將信號光強度降低到單光子水平，由于在光通信波段的單光子探測器的性能不佳，光通信波段信號的優(yōu)越性被大大削弱?，F(xiàn)在，用于單光子探測的主要是半導(dǎo)體雪崩光電二極管探測器APDs，APDs即雪崩光電二極管探測器。當(dāng)用于單光子探測的時候，雪崩光電二極管工作在蓋格模式下，其工作電壓大于APDs的雪崩電壓。在目前的光通信波段(包括1.3μm和1.5μm)使用的是鍺雪崩光電二極管或者銦鎵砷雪崩光電二極管，它們的性能類似。以銦鎵砷雪崩光電二極管為例，普遍使用的銦鎵砷APDs探測器的量子效率通常小于10％，暗計數(shù)高達每秒104-105。除此以外，銦鎵砷APDs探測器有十分嚴(yán)重的后脈沖，這個缺點影響了其在高重復(fù)頻率工作的性能，因此通常只能工作在低重復(fù)頻率的門限模式下。為了盡量降低銦鎵砷APDs的暗計數(shù)，通常還要用半導(dǎo)體制冷裝置或者液氮制冷控制APDs在低溫條件下工作。相比之下，工作在近紅外波段的硅雪崩光電二極管凸顯出其簡單、高效的優(yōu)勢。硅APDs的探測效率一般可以達到70％--80％，暗計數(shù)小于每秒100次，并且工作時產(chǎn)生的后脈沖可以抑制。因此，硅的APDs探測器可以對單光子信號實現(xiàn)高速率高效率的探測，工作重復(fù)頻率可以達到10MHz以上。
可以預(yù)見，如果能將光通信波段在傳輸方面的優(yōu)點和硅雪崩光電二極管在探測方面的優(yōu)點結(jié)合起來，必將使量子保密通信的傳輸距離，量子密鑰分發(fā)的成碼率等性能都得到顯著的提高。其中一個最為關(guān)鍵的問題就是如何將光通信波段的單光子信號光高效率地轉(zhuǎn)換到可見光波段(單光子非線性頻率上轉(zhuǎn)換)。在光學(xué)領(lǐng)域，通常利用非線性效應(yīng)(如非線性和頻或者差頻等)實現(xiàn)光頻率的轉(zhuǎn)換。在理論上可以證明應(yīng)用強泵浦光和單光子信號光在非線性晶體中作用，可以實現(xiàn)光通信波段單光子信號轉(zhuǎn)移至近紅外波段信號。也可以證明，在頻率上轉(zhuǎn)換的過程中當(dāng)轉(zhuǎn)換效率達到最大的時候，在實現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)移的同時也實現(xiàn)了量子特性的轉(zhuǎn)移，這一點對于本發(fā)明應(yīng)用于量子保密通信系統(tǒng)也是很重要的。
為了實現(xiàn)有效的非線性頻率上轉(zhuǎn)換，盡量提高有效入射非線性晶體的泵浦光強度是必要的。通常使用的方法是，將泵浦光注入一個外置的諧振腔，用反饋伺服控制系統(tǒng)控制其中一面腔鏡，使得諧振腔的諧振頻率與泵浦光的頻率相匹配，達到腔內(nèi)功率增強的效果。放置在這個外腔中的非線性晶體可以獲得數(shù)十倍于泵浦光的有效入射光強度。然而，這種方法有一個顯著的缺點由于外置諧振腔是無源腔，為了實現(xiàn)諧振頻率與泵浦光頻率的鎖定，就必須依賴伺服系統(tǒng)鎖定腔的諧振頻率。這樣就會大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和調(diào)整難度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也難以得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中外置諧振腔的不足而提出一種光通信波段單光子高效率探測的方法，該方法在實現(xiàn)量子特性轉(zhuǎn)移的前提下，利用非線性光學(xué)過程，將光通信波段的單光子信號光高效率地頻率上轉(zhuǎn)換到近紅外波段，最后用硅雪崩光電二極管實現(xiàn)單光子信號的高效率探測。通過這樣的處理方法，我們就能夠?qū)⒐馔ㄐ挪ǘ蔚膫鬏攦?yōu)勢和硅雪崩光電二極管的探測優(yōu)勢結(jié)合起來，使高效的單光子頻率轉(zhuǎn)換、靈敏的探測應(yīng)用于量子保密通信領(lǐng)域，從而發(fā)展出適用于量子保密通信系統(tǒng)的高效單光子靈敏探測技術(shù)。
本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內(nèi)，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，然后調(diào)整信號光與腔內(nèi)泵浦光在非線性晶體中重合，并滿足相位匹配條件，使得作為信號光的單光子源與泵浦光發(fā)生和頻，再用色散元件將出射光各頻譜成份分開，濾出轉(zhuǎn)換后的近紅外波段單光子信號光成分，之后用硅APDs進行探測。
作為信號光的單光子指的是光通信波段單光子。非線性晶體指的是有二階非線性效應(yīng)，并且通光波段包含泵浦光，入射信號光和轉(zhuǎn)換后信號光波長的非線性晶體。所述的相位匹配條件是指是角度相位匹配或者是準(zhǔn)相位匹配，其中的角度相位匹配是選擇特定的非線性晶體切割角度，使得在非線性晶體中，泵浦光與入射信號光的波矢量疊加后與轉(zhuǎn)換后信號光的波矢量相等；其中的準(zhǔn)相位匹配是對非線性晶體作周期極化，特定的極化周期可以對應(yīng)實現(xiàn)特定波長的泵浦光和入射信號光的相位匹配。
本發(fā)明的優(yōu)點是，成功的將非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換引入量子保密通信系統(tǒng)，通過頻率上轉(zhuǎn)換將單光子水平的信號光頻率轉(zhuǎn)移到近紅外波段，可控制頻率轉(zhuǎn)換效率接近100％。用硅雪崩光電二極管代替銦鎵砷雪崩光電二極管探測，可以大大提高探測性能。探測性能的提高會對量子保密通信系統(tǒng)的工作技術(shù)指標(biāo)，比如通信距離，量子密鑰分發(fā)的成碼率，通信速率等帶來跨越式的提高。將非線性晶體放置在產(chǎn)生泵浦光的諧振腔內(nèi)，一方面可以克服系統(tǒng)調(diào)試的難度，同時也可以提高頻率轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。
附圖概述附

圖1為本發(fā)明泵浦光為連續(xù)光的實施例示意方框圖附圖2為本發(fā)明泵浦光為脈沖光的實施例示意方框圖附圖3為本發(fā)明實施例1的基本光路圖；附圖4為本發(fā)明實施例2的基本光路圖；附圖5為本發(fā)明實施例3的基本光路圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解在本實施例中光通信波段1.5μm以1550nm為例，1.3μm以1310nm為例，附近其他波段與這兩個波段的實現(xiàn)方法一致；本發(fā)明中泵浦光源以半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器為例，典型波長為1064nm和1342nm，其他類型泵浦源與泵浦光波長與發(fā)明實施例中實現(xiàn)方法一致。非線性晶體的相位匹配條件主要有晶體的切割角度，晶體的工作溫度；如果是PPLN晶體，還與晶體的反轉(zhuǎn)周期等有關(guān)。
產(chǎn)生泵浦光的諧振腔，其輸出鏡的透射率通常為百分之幾或百分之十幾，則諧振腔內(nèi)的光強可以達到出射光強的十幾倍甚至幾十倍。將非線性晶體置于此諧振腔內(nèi)，可以得到高于出射光強度1-2個數(shù)量級的有效入射光強度。由于將非線性晶體置于泵浦光的有源腔中，不需要附加的裝置就能獲得高穩(wěn)定的入射泵浦光功率，這也能大大提高頻率轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定度。
在本實施例方案中，由于非線性晶體放置在泵浦光的有源諧振腔中，連續(xù)或者脈沖的泵浦光都可以應(yīng)用于本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)充分的頻率轉(zhuǎn)換，信號光和泵浦光在時間上也要實現(xiàn)重合。如果泵浦光是連續(xù)的，那么入射的頻率轉(zhuǎn)換前的信號光可以是連續(xù)的也可以是脈沖的；如果泵浦光是脈沖的，入射的單光子信號也只能是脈沖的，這樣才有可能實現(xiàn)時間上的重合。技術(shù)實現(xiàn)的簡單示意圖如圖1、2所示(1)泵浦光是連續(xù)光按照圖1所示，泵浦光包含在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2中。此時，因為泵浦光是連續(xù)的，所以連續(xù)的或者脈沖的單光子信號都可以實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。但是，因為連續(xù)的泵浦光很難達到很高的功率，所以此時對轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2中使用的非線性晶體的有效非線性系數(shù)要求比較高，如PPLN(周期極化的鈮酸鋰)晶體、PP-MgO:LN(周期極化的摻氧化鎂的鈮酸鋰)晶體等周期極化的準(zhǔn)相位匹配非線性晶體。
(2)泵浦光是脈沖光依照圖2所示，脈沖泵浦光包含在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2*中。此時，入射的單光子信號1*是脈沖的。為了使泵浦光、信號光和探測器在時間上達到同步，這里用時鐘5來進行控制單光子信號的觸發(fā)，脈沖泵浦光的觸發(fā)以及探測系統(tǒng)的觸發(fā)時刻，并且考慮到事件發(fā)生的先后，加入延時，目的是保證泵浦光脈沖與信號光脈沖時間上精確重合，保證探測器也準(zhǔn)時的響應(yīng)。由于脈沖泵浦光可以有很高的峰值功率，相應(yīng)地，非線性晶體的有效非線性系數(shù)不需要很高，如BIBO(硼酸鉍)晶體。
如圖3-5所示，標(biāo)號1-20分別為光纖準(zhǔn)直器1準(zhǔn)直距離滿足使準(zhǔn)直后的高斯光束束腰落在非線性晶體中心；平面激光腔反射鏡2兩面鍍增透膜@入射信號光波段，靠近非線性晶體一面鍍高反膜@泵浦光波段；非線性晶體3滿足相位匹配條件，可以實現(xiàn)本發(fā)明中需要的信號光頻率轉(zhuǎn)移的非線性晶體，比如BIBO晶體、PPLN晶體或者PP-MgO:LN晶體等，工作溫度精確控制；分光棱鏡4布儒斯特角石英棱鏡；泵浦源5光纖耦合輸出的LD(半導(dǎo)體激光二極管激光器)。發(fā)射波長為808nm，最大輸出功率20W。由光學(xué)聚焦系統(tǒng)耦合到激光增益介質(zhì)上；凹面激光腔反射鏡6兩面鍍增透膜@808nm，曲面鍍高反膜@泵浦激光波長，曲率半徑R＝-100mm；激光增益晶體7摻Nd3+離子激光增益介質(zhì)，(如Nd3+:GdVO4，Nd3+:YVO4)長度為3mm，兩面鍍增透膜@腔內(nèi)泵浦激光波段，摻雜濃度為1％；凹面激光腔反射鏡8兩面鍍增透膜@入射信號光波段，曲面鍍高反膜@腔內(nèi)泵浦光波段，反射率為98％，曲率半徑R＝-500mm；光闌9狹縫光闌；濾光系統(tǒng)10包括以轉(zhuǎn)換后信號光波長為中心的帶寬為10nm的干涉濾光片和鍍0°入射高反膜@泵浦光波長和兩面增透膜@轉(zhuǎn)換后信號光波長的平面反射鏡各一片；
探測器11硅雪崩光電二極管，工作在單光子計數(shù)模式下；光纖偏振控制器12用于控制光纖出射光的偏振方向；收集透鏡13焦距50mm左右，兩面鍍頻率轉(zhuǎn)換后信號光波段增透膜；光隔離器14只允許光單方向(順時針或逆時針)通過的器件，工作波長在泵浦光波段；主動調(diào)Q元件15工作波長與泵浦光波長一致的聲光或者電光調(diào)Q開關(guān)；主動鎖模元件16用于實現(xiàn)腔內(nèi)主動鎖模的聲光或者電光調(diào)制器，工作波長@泵浦光波長。
平面腔鏡17泵浦光波段激光高反鏡，反射率大于99.9％。兩表面鍍有泵浦源808nm的增透膜；耦合輸入腔鏡18平面激光反射鏡，在泵浦光波段反射率95％；凹面激光腔鏡19曲率半徑R＝-75mm，曲面鍍泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，兩面鍍頻率轉(zhuǎn)移前信號光波段的增透膜；凹面激光腔鏡20曲率半徑R＝-75mm，曲面鍍泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，兩面鍍頻率轉(zhuǎn)移后信號光波段的增透膜；實施例1.1實現(xiàn)本實施例的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，諧振腔包括兩面平面反射鏡和兩面凹面反射鏡，構(gòu)成一個環(huán)形諧振腔，滿足諧振腔穩(wěn)定條件。該環(huán)形諧振腔是用于產(chǎn)生泵浦光的有源腔，既在腔內(nèi)得到泵浦光，同時也在腔內(nèi)實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。1064nm的泵浦光由固體釹離子激光器產(chǎn)生。光纖耦合輸出的半導(dǎo)體二極管激光器產(chǎn)生最大出射功率為20W的808nm激光5由光學(xué)系統(tǒng)聚焦在釹離子激光增益晶體7上，在環(huán)型的激光諧振腔中實現(xiàn)激光振蕩。在腔內(nèi)插入光隔離器，這樣可以在環(huán)形腔內(nèi)實現(xiàn)泵浦光的單縱模行波振蕩。腔內(nèi)1064nm激光功率的大小可以通過改變由LD發(fā)出的808nm泵浦光5功率進行調(diào)節(jié)。此方案中使用的40mm長非線性晶體PPLN，兩面鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既為了減少弱光信號損耗，也是減少諧振腔的插入損耗。
PPLN晶體利用了準(zhǔn)相位匹配相互作用，選擇了特定的極化周期來實現(xiàn)泵浦光1064nm與入射信號光1550nm和頻相互作用得到轉(zhuǎn)換后信號光631nm，有效非線性系數(shù)約為16pm/V。本實施例中采用的PPLN晶體的極化周期為11.80μm或12.0μm。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經(jīng)過光纖偏振控制器12調(diào)整偏振于諧振腔內(nèi)1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經(jīng)過準(zhǔn)直器1后，入射到非線性晶體3上，準(zhǔn)直的束腰落在非線性晶體的中間位置。非線性晶體的溫度被精確控制，偏差小于0.1℃。仔細調(diào)整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內(nèi)的1064nm光場很好的重合。這樣，強的1064nm泵浦光和弱的1550nm信號光在非線性晶體里相互作用，入射的1550nm的信號光頻率上轉(zhuǎn)換為631nm的信號光?？刂魄粌?nèi)有效入射非線性晶體的泵浦光強度，使得轉(zhuǎn)換效率達到最大同時也實現(xiàn)了量子態(tài)轉(zhuǎn)移。為了減小弱光信號(包括頻率轉(zhuǎn)換前的1550nm信號和頻率轉(zhuǎn)換后的631nm信號)損耗，在其經(jīng)過的元件上都鍍有相應(yīng)的增透膜。轉(zhuǎn)換后的631nm信號光與1064nm的泵浦光一同輸出諧振腔外，經(jīng)過分光棱鏡在空間上分離，通過濾光系統(tǒng)與光闌將631nm的信號光分離出來，并用收集透鏡將信號光收集，保證能夠射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs進行探測。
實施例1.2與實施例1.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后信號波段為587nm。實施例1.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應(yīng)調(diào)整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調(diào)整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為587nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為587nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為587nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例1.1相同。
實施例1.3與實施例1.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm，光隔離器的工作波長調(diào)整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為719nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為719nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為719nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例1.1相同。
實施例1.4與實施例1.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm，光隔離器的工作波長調(diào)整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，實施例1.1中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調(diào)整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為663nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為663nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為663nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與與實施例1.1相同。
實施例2.1如圖4所示，實施例中，1064nm的泵浦光由固體釹離子激光器產(chǎn)生。光纖耦合輸出的半導(dǎo)體二極管激光器產(chǎn)生最大出射功率為20W的激光5由光學(xué)系統(tǒng)聚焦在釹離子激光增益晶體7上，在L型的激光諧振腔中實現(xiàn)激光振蕩。L型的激光諧振腔是由兩面凹面激光腔反射鏡6和8和一面平面激光腔反射鏡2構(gòu)成，兩臂之間的夾角大約為18°。激光腔結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定的諧振腔條件。凹面激光腔反射鏡8對1064nm激光的反射率為98％，由于沿諧振腔兩臂的方向都有激光出射，其總的耦合輸出率約為3％，腔內(nèi)激光為線偏振。如果諧振腔的1064nm輸出光功率為3W時，則腔內(nèi)的功率為100W。腔內(nèi)1064nm激光功率的大小可以通過改變由LD發(fā)出的808nm泵浦光5功率進行調(diào)節(jié)。因為諧振腔內(nèi)光束的光斑尺寸在靠近平面激光腔反射鏡2的位置上比較小，將非線性晶體3放置于此處能得到較大的入射光功率密度。此方案中使用的40mm長非線性晶體PPLN兩面鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既為了減少弱光信號損耗，也是減少諧振腔的插入損耗。
PPLN晶體利用了準(zhǔn)相位匹配相互作用，選擇了特定的極化周期來實現(xiàn)泵浦光1064nm與入射信號光1550nm和頻相互作用得到轉(zhuǎn)換后信號光631nm，有效非線性系數(shù)約為16pm/V。極化周期與實施例1.1相同。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經(jīng)過光纖偏振控制器12調(diào)整偏振于諧振腔內(nèi)1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經(jīng)過準(zhǔn)直器1后，入射到非線性晶體3上，準(zhǔn)直的束腰落在非線性晶體的中間位置。非線性晶體的溫度被被精確控制，偏差小于0.1℃。仔細調(diào)整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內(nèi)的1064nm光場很好的重合。這樣，強的1064nm泵浦光和弱的1550nm信號光在非線性晶體里相互作用，入射的1550nm的信號光頻率上轉(zhuǎn)換為631nm的信號光。控制腔內(nèi)有效入射非線性晶體的泵浦光強度，使得轉(zhuǎn)換效率達到最大同時也實現(xiàn)了量子態(tài)轉(zhuǎn)移。為了減小弱光信號(包括頻率轉(zhuǎn)換前的1550nm信號和頻率轉(zhuǎn)換后的631nm信號)損耗，在其經(jīng)過的元件上都鍍有相應(yīng)的增透膜。1064nm泵浦光和轉(zhuǎn)換后的631nm信號光經(jīng)過凹面激光腔反射鏡8輸出諧振腔外，此時它們在空間上基本上還是重合的。經(jīng)過分光棱鏡4后，泵浦光和信號光在空間上被分開，通過收集透鏡13將631nm的信號光收集起來，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狹縫光闌9空間濾掉1064nm泵浦光成分，只允許631nm的信號光通過。為了進一步提純信號光，以免受到其他波段光的干擾，在進入硅雪崩光電二極管探測器11之前，我們用中心波長在631nm的窄帶濾波片和平面高反鏡@1064nm組成的濾波系統(tǒng)10進一步分離出631nm的弱信號光。
實施例2.2與實施例2.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后信號波段為587nm。實施例2.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應(yīng)調(diào)整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調(diào)整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為587nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為587nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為587nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例2.3與實施例2.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為719nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為719nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為719nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例2.4與實施例2.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調(diào)整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為663nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為663nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為663nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例3.1如圖5，與實施例2相比，本實施例采用了脈沖的工作方式。本實施例中采用的諧振腔結(jié)構(gòu)與實施例2完全一致。為了使泵浦光在脈沖方式下運行，我們在腔內(nèi)插入了1064nm的調(diào)Q元件(可以是聲光調(diào)Q元件或者電光調(diào)Q元件)。調(diào)Q元件可以用來調(diào)節(jié)激光腔的損耗。調(diào)Q的過程可以描述如下在激光泵浦剛剛開始的時候，調(diào)Q元件產(chǎn)生很高的損耗，使得激光無法振蕩輸出。由于持續(xù)泵浦，能量被儲存起來。此時調(diào)Q元件突然降低損耗，在極短的時間里將儲存的能量釋放出來，即形成一個強的激光脈沖。Q脈沖有很高的峰值功率，較短的脈沖寬度。調(diào)Q元件的觸發(fā)頻率鎖定1064nm泵浦光調(diào)Q脈沖的重復(fù)頻率與信號光的重復(fù)頻率一致。入射的1550nm單光子信號光也是脈沖的，脈寬約為1個ns(10-9s)。如圖3所描述的，信號光、Q開關(guān)元件和探測器的觸發(fā)都由一個時鐘脈沖控制，并適當(dāng)引入延時，保證信號光、泵浦光脈沖以及探測器的觸發(fā)脈沖在時間上的重合。
非線性晶體3可以使用有效非線性系數(shù)稍低的晶體，比如長度10mm的BIBO晶體，晶體的切割角度為θ＝7.7°，＝0°，滿足當(dāng)1064nm泵浦光與1550nm入射信號光正入射的時候和頻得到631nm出射信號光的角度相位匹配條件。晶體兩面同樣鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm。腔內(nèi)的調(diào)Q脈沖寬度在10ns(10-9秒)量級，脈沖寬度比信號光脈沖大一個量級左右以保證單光子信號光完全被頻率轉(zhuǎn)換。調(diào)整808nm泵浦源的功率以及Q脈沖的寬度(調(diào)節(jié)Q開關(guān))使得泵浦脈沖的峰值功率(幾個kW量級)滿足頻率轉(zhuǎn)換的要求。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經(jīng)過光纖偏振控制器12調(diào)整偏振于諧振腔內(nèi)1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經(jīng)過準(zhǔn)直器1后，入射到非線性晶體3上，準(zhǔn)直的束腰落在非線性晶體的中間位置。仔細調(diào)整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內(nèi)的1064nm光場很好的重合。在非線性和頻作用下入射的1550nm的信號光頻率上轉(zhuǎn)換為631nm的信號光。為了減小弱光信號(包括頻率轉(zhuǎn)換前的1550nm信號和頻率轉(zhuǎn)換后的631nm信號)損耗，在其經(jīng)過的元件上都鍍有相應(yīng)波段的增透膜。1064nm泵浦光和轉(zhuǎn)換后的631nm信號光經(jīng)過凹面激光腔反射鏡8輸出諧振腔外，此時它們在空間上基本上還是重合的。經(jīng)過分光棱鏡4后，泵浦光和信號光在空間上被分開，通過收集透鏡13將631nm的信號光收集起來，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狹縫光闌9空間濾掉1064nm泵浦光成分，只允許631nm的信號光通過。濾光系統(tǒng)10包括中心波長在631nm的窄帶濾波片和平面高反鏡@1064nm，可以進一步分離出631nm的信號光。
實施例3.2與實施例3.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后信號波段為587nm。方案3.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應(yīng)調(diào)整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調(diào)整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為587nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為587nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為587nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與方案3.1一致。
實施例3.3與實施例3.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。Q開關(guān)的工作波長調(diào)整為1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為719nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為719nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為719nm，高反波長調(diào)整到1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例3.1一致。
實施例3.4與實施例3.1相比，本方案中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調(diào)整到1310nm。Q開關(guān)的工作波長調(diào)整為1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為663nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為663nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為663nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例3.1一致。
實施例4.1鎖模脈沖同樣可以得到較高的峰值功率，本實施例中用主動鎖模的方法取代了實施例3中的調(diào)Q的方法。主動鎖模技術(shù)是在激光腔內(nèi)放置一個調(diào)制器，該調(diào)制器對腔內(nèi)激光產(chǎn)生一個幅度或者相位的調(diào)制，目的是使腔內(nèi)的縱模間隔完全相等。間隔相等的各個縱模之間實現(xiàn)相干疊加，于是得到高峰值功率、短脈沖寬度的激光脈沖。由于鎖模脈沖的重復(fù)頻率是由激光諧振腔的長度決定的，所以我們設(shè)計諧振腔結(jié)構(gòu)的時候，設(shè)定合適的諧振腔長度值，使得泵浦光重復(fù)頻率等于信號光重復(fù)頻率，或者是信號光重復(fù)頻率的整數(shù)倍，這樣我們才能保證泵浦光脈沖與信號光脈沖可以一一對應(yīng)，在時間上實現(xiàn)重合。因為泵浦光是脈沖的，所以用于頻率轉(zhuǎn)換的信號光也是脈沖的，實現(xiàn)示意圖如圖2所示。鎖模脈沖具有脈沖寬度窄，重復(fù)頻率高的特點，一方面可以實現(xiàn)高重復(fù)頻率的入射信號光頻率轉(zhuǎn)換，另一方面也要求信號光具有很窄的脈沖寬度。在本方案中，泵浦光的脈沖寬度約為幾十ps(10-12s)，重復(fù)頻率幾十MHz，入射的信號光脈沖寬度約為幾個ps，重復(fù)頻率可以高達幾MHz甚至幾十MHz。
本實施例的結(jié)構(gòu)示意圖與圖5基本一致，由于諧振腔的長度設(shè)定在一個特定的值，各凹面激光腔鏡的曲率半徑也作了相應(yīng)的調(diào)整，另外在腔內(nèi)插入的并不是Q開關(guān)元件，而是可以產(chǎn)生鎖模調(diào)制的聲光或者電光調(diào)制器16，調(diào)制器的工作波長在1064nm。如圖2所描述的，信號光、電光或者聲光調(diào)制器和探測器的觸發(fā)都由一個時鐘脈沖控制，并適當(dāng)引入延時，保證信號光、泵浦光脈沖以及探測器的觸發(fā)脈沖在時間上的重合。
非線性晶體放置在固體釹離子激光器的諧振腔中，由808nm的半導(dǎo)體二極管激光器作為泵浦源，腔內(nèi)產(chǎn)生1064nm的泵浦光鎖模脈沖。由于是高功率下運行，與實施例3一樣，本實施例也可以使用有效非線性系數(shù)較低的晶體。非線性晶體的相位匹配條件滿足泵浦光1064nm與信號光1550nm和頻產(chǎn)生631nm，晶體兩面鍍有增透膜。調(diào)整入射1550nm的單光子信號光的偏振使之滿足I類相位匹配。調(diào)整808nm泵浦源的輸出功率，使得腔內(nèi)的泵浦光脈沖峰值功率滿足頻率轉(zhuǎn)換效率最大的條件。在信號光(包括轉(zhuǎn)換前的1550nm和轉(zhuǎn)換后的631nm)經(jīng)過的元件表面都鍍有相應(yīng)波段的增透膜。轉(zhuǎn)換后的631nm信號光與1064nm的泵浦光一同輸出諧振腔外，經(jīng)過分光棱鏡在空間上分離，通過濾光系統(tǒng)與光闌將631nm的信號光分離出來，并用收集透鏡將信號光收集，保證能夠射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs進行探測。
實施例4.2與實施例4.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后信號波段為587nm。實施例4.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應(yīng)調(diào)整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調(diào)整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為587nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為587nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為587nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例4.1一致。
實施例4.3與實施例4.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。調(diào)制器的工作波長調(diào)整為1342nm。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為719nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為719nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為719nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例4.1一致。
實施例4.4與實施例4-1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導(dǎo)體二極管泵浦的固體釹離子激光器產(chǎn)生。各激光腔反射鏡的高反波段調(diào)整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調(diào)整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調(diào)整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。調(diào)制器的工作波長調(diào)整為1342nm。非線性晶體的相位匹配條件調(diào)整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉(zhuǎn)換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調(diào)整為663nm波段。濾光系統(tǒng)中，濾光片的中心波長調(diào)整為663nm，反射鏡增透膜波長調(diào)整為663nm，高反膜波長調(diào)整為1342nm。其他元件、實現(xiàn)方法和步驟與實施例4.1一致。
雖然以上已經(jīng)參照附圖對按照本發(fā)明目的的構(gòu)思和實施例做了詳細說明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到，在沒有脫離權(quán)利要求限定范圍的前提條件下，仍然可以對本發(fā)明做出各種改進和變換，例如非線性晶體種類的變換、光路的變換、符合本發(fā)明使用要求的激光器光源種類和諧振腔結(jié)構(gòu)的變換等等。
權(quán)利要求
1.一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內(nèi)，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，調(diào)整信號光與腔內(nèi)泵浦光在非線性晶體中重合，并滿足相位匹配條件，使得作為信號光的單光子源與泵浦光發(fā)生和頻，再用色散元件將出射光各頻譜成份分開，濾出轉(zhuǎn)換后的近紅外波段單光子信號光成分，之后用硅APDs進行探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的作為信號光的單光子指的是光通信波段單光子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的非線性晶體指的是有二階非線性效應(yīng)，并且通光波段包含泵浦光、入射信號光和轉(zhuǎn)換后信號光波長的非線性晶體。。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的泵浦光的強度至少應(yīng)該使得非線性晶體產(chǎn)生非線性極化，但是不能超過非線性晶體的損傷閾值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通信波段單光子源的產(chǎn)生方法，其特征在于所述的相位匹配條件指的是角度相位匹配或者是準(zhǔn)相位匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及量子保密通信系統(tǒng)中，具體涉及光通信波段單光子信號通過非線性頻率上轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單光子高效率探測的方法，該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內(nèi)，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，使得信號光與泵浦光發(fā)生和頻，在濾出近紅外波段單光子信號光成分后再用硅APDs進行探測，其優(yōu)點是通過頻率上轉(zhuǎn)換將單光子水平的信號光頻率轉(zhuǎn)移到近紅外波段，可控制頻率轉(zhuǎn)換效率接近100％，大大提高探測性能，克服系統(tǒng)調(diào)試的難度，且頻率轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性高。
文檔編號G02F1/35GK1614495SQ20041008462
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者曾和平, 周春源, 吳光, 韓曉紅, 潘海峰 申請人:華東師范大學(xué)