本實用新型涉及量子信息領(lǐng)域，更具體地涉及單光子探測器。

背景技術(shù)：

量子密碼利用量子測不準原理和未知量子態(tài)不可克隆定理，實現(xiàn)無條件安全的保密通信，在國防、公共安全和經(jīng)濟活動中都有著非常重要的意義。相比于量子計算機和量子中繼器等研究分支，量子密碼是量子信息學中目前最接近實用化的分支。然而，量子密碼的實用化進程中仍然存在著技術(shù)瓶頸，其中之一就是通信波段單光子探測器的性能不完美，這就限制了量子密碼的傳輸距離和成碼率。

當前，國際上通用的單光子探測器主要有：硅雪崩二極管單光子探測器，銦鎵砷雪崩二極管單光子探測器，超導單光子探測器和上轉(zhuǎn)換單光子探測器。

硅雪崩二極管單光子探測器的探測波段為400nm至1000nm，具有探測效率高（70%@630nm），暗計數(shù)低（<100 Hz），后脈沖幾率?。?lt;1%），死時間在納秒級別等優(yōu)點，但由于硅本身1.12電子伏特的能帶隙造成其在1μm波段的探測效率只有2%左右。

銦鎵砷雪崩二極管單光子探測器的探測波段為1100-1700nm，重復(fù)頻率僅約10MHz，這大大限制了該探測器的計數(shù)率。近年來，隨著正弦門控和自差電路等新技術(shù)的出現(xiàn)，銦鎵砷/銦磷單光子探測器已經(jīng)可以工作在GHz的重復(fù)頻率下，但是其10%的較低量子效率，約10kHz的暗計數(shù)，微秒級別的死時間和2%左右的后脈沖幾率也限制了其廣泛應(yīng)用。銦鎵砷/銦磷單光子探測器的效率最高點通常設(shè)計在1.55μm，其在1μm波段探測效率只有5%左右。

超導單光子探測器具有暗計數(shù)低（100 Hz左右），時間分辨好（時間晃動60 ps）等優(yōu)點，但商用超導探測器需要連續(xù)的液氦制冷才能維持有效工作，液氦制冷設(shè)備體積大、成本昂貴，這是其廣泛使用的瓶頸。

上轉(zhuǎn)換單光子探測器是通過非線性光學的和頻過程，利用實現(xiàn)準相位匹配的周期極化鈮酸鋰波導等非線性器件將近紅外單光子上轉(zhuǎn)換成為可見光，再通過硅雪崩二極管單光子探測器探測。通過頻率轉(zhuǎn)換，高品質(zhì)的硅探測器就可以用于近紅外單光子的探測。

而在上述非線性和頻過程中，利用強泵浦光促使近紅外單光子高效上轉(zhuǎn)換的同時，也引入了大量的非線性噪聲，主要來源于三個方面：拉曼噪聲光子，強泵浦光產(chǎn)生的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換光子、二次諧波及三次諧波光子，以及光學晶體不完美引起其他參量過程產(chǎn)生的光子。隨著長波泵浦技術(shù)的發(fā)明以及相應(yīng)的周期極化鈮酸鋰波導的研制成功，解決了波導非線性過程中引入高噪聲的問題，長波泵浦技術(shù)可以消除自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換帶來的噪聲，同時也極大程度地減小了拉曼散射引入的噪聲，因此濾波光路主要考慮濾除源于強泵浦光的二次諧波、三次諧波光子及拉曼噪聲光子。

已知國內(nèi)有科研小組利用周期性極化的鈮酸鋰晶體和1.55μm的脈沖泵浦光，將1μm波段上轉(zhuǎn)換到可見光波段，然后利用硅探測器進行探測，可以實現(xiàn)超低噪聲的1μm探測系統(tǒng)，但使用晶體以及脈沖光泵浦，探測器的整體探測效率也大幅度下降。

由于1μm波段的激光器借助其成熟的技術(shù)和低廉的價格，在雷達、太空通信、醫(yī)學應(yīng)用等各個領(lǐng)域都有很多的用途，而現(xiàn)有技術(shù)中缺少可高效用于1μm波段的單光子探測器，阻礙了該激光器技術(shù)在量子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，在量子信息領(lǐng)域中，在用于1μm波段的單光子探測器上仍然存在改進的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本實用新型提出了一種上轉(zhuǎn)換單光子探測器結(jié)構(gòu)，其不僅能夠提供較低的噪聲，并且具有改善的探測效率，同時結(jié)構(gòu)簡單，能夠很好地適應(yīng)量子信息技術(shù)中的應(yīng)用環(huán)境。

根據(jù)本實用新型，上轉(zhuǎn)換單光子探測器可以包括泵浦光源、保偏波分復(fù)用器、周期性極化鈮酸鋰波導、濾波模塊、單光子計數(shù)模塊及溫度控制模塊。其中，泵浦光源可以采用波長為1550nm的單頻連續(xù)激光光源。保偏波分復(fù)用器可以通過保偏光纖分別接收泵浦光和信號光，并將泵浦光和信號光合束輸出給周期性極化鈮酸鋰波導。周期性極化鈮酸鋰波導可以通過保偏光纖連接保偏波分復(fù)用器的輸出端，用于將泵浦光和信號光的光子和頻轉(zhuǎn)換成可見光的光子。溫度控制模塊可以用于調(diào)節(jié)周期性極化鈮酸鋰波導的溫度。單光子計數(shù)模塊可以經(jīng)濾波模塊連接周期性極化鈮酸鋰波導的輸出端，以對經(jīng)和頻轉(zhuǎn)換的光子進行計數(shù)。

優(yōu)選地，單光子計數(shù)模塊可以為硅探測器，從而提供高的探測效率。

在本實用新型的一個方面，濾波模塊可以包括物鏡、二向色鏡、體布拉格光柵及帶通濾波片。其中，物鏡可以包括兩個，其中一個物鏡可以設(shè)置在濾波模塊的輸入端以收集波導輸出的和頻光，另一個物鏡可以設(shè)置在濾波模塊的輸出端以將經(jīng)過濾的和頻光輸出至單光子計數(shù)模塊。

在本實用新型的另一個方面，濾波模塊可以是由帶通濾波片集成而成的微型濾波模塊。

優(yōu)選地，周期性極化鈮酸鋰波導、微型濾波模塊及單光子計數(shù)模塊之間可以通過單模或者多模光纖進行連接，從而提供全光纖的探測器結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，帶通濾波片的中心波長可以為631nm，帶寬為2.4nm。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本實用新型的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的第一示例性實施例；以及

圖2示出了根據(jù)本實用新型的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的第二示例性實施例。

具體實施方式

在下文中，本實用新型的示例性實施例將參照附圖來詳細描述。下面的實施例以舉例的方式提供，以便充分傳達本實用新型的精神給本實用新型所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。因此，本實用新型不限于本文公開的實施例。

圖1示出了本實用新型的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的第一示例性實施例，其用于探測波長為1064nm的信號光。如圖1所示，上轉(zhuǎn)換單光子探測器可以包括泵浦光源、保偏波分復(fù)用器、周期性極化鈮酸鋰波導、濾波模塊及單光子計數(shù)模塊SPCM。

泵浦光源可以輸出單頻連續(xù)激光且輸出波長大于1μm，例如為1.5-2.5μm，特別優(yōu)選為1550nm?？蛇x地，該泵浦光源可以為摻鉺光纖激光器或摻銩光纖激光器。泵浦光源輸出的泵浦激光通過保偏光纖進入波分復(fù)用器。

待測的單光子信號光同樣通過保偏光纖進入波分復(fù)用器，并且與泵浦光合成一束從波分復(fù)用器中輸出。從波分復(fù)用器輸出的合束光經(jīng)過保偏光纖進入周期性極化鈮酸鋰波導中。在該波導中，借助非線性和頻轉(zhuǎn)換過程，信號光的光子與泵浦光的光子轉(zhuǎn)換為能量更高的可見光光子，即經(jīng)上轉(zhuǎn)換的和頻光。為了滿足波導中非線性轉(zhuǎn)換過程的準相位匹配條件，達到最大轉(zhuǎn)換效率，還可以設(shè)置溫度控制模塊，用以調(diào)節(jié)波導的溫度。

由于在周期性極化鈮酸鋰波導輸出的光中，除了和頻光之外，還存在剩余的泵浦光、泵浦光的二次諧波光子、三次諧波光子以及拉曼噪聲等雜散光，因此，在利用單光子計數(shù)模塊對和頻光進行測量之前，還需要設(shè)置窄帶濾波模塊來消除這些雜散光。如圖1所示，在該實施例中，濾波模塊可以包括兩個物鏡、二向色鏡、帶通濾波片、體布拉格光柵等光學元件。具體而言，波導的輸出光首先由物鏡收集，并且經(jīng)過二向色鏡、體布拉格光柵和帶通濾波片進行濾波，最后再借助物鏡將經(jīng)濾波的光進行收集，并且輸入單光子計數(shù)模塊中進行高效探測。其中，二向色鏡用于消除殘余的泵浦光，體布拉格光柵用于抑制拉曼噪聲，帶通濾波片用于消除泵浦光造成的二次諧波光子、三次諧波光子以及進一步壓低拉曼噪聲。

單光子計數(shù)模塊可以包括高品質(zhì)的硅探測器，從而提供高的單光子探測效率，以及超低的噪聲。

圖2示出了本實用新型的上轉(zhuǎn)換單光子探測器的第二示例性實施例，其與第一示例性實施例相比，僅在濾波模塊和周期性極化鈮酸鋰波導的端口耦合方式方面存在不同。因此，出于簡潔的考慮，本文中僅對不同之處進行詳細的說明，與第一示例性實施例相同的內(nèi)容不再贅述。

在該第二實施例中，濾波模塊可以為微型濾波模塊的形式，其由帶通濾波片集成而成，同樣用于高效濾除泵浦光本身、來自泵浦光的二次諧波及三次諧波光子和壓低拉曼噪聲。

優(yōu)選地，在以集成的方式構(gòu)建微型濾波模塊時，可以特別采用中心波長為631nm、帶寬為2.4nm的帶通濾波片，經(jīng)實驗證明，借助這種特定參數(shù)的帶通濾波片，可以非常高效地過濾和頻光的上述噪聲信號，從而使得探測器的噪聲進一步減小。

在該實施例中，由于濾波模塊為集成的濾波模塊，因此周期性極化鈮酸鋰波導可以采用雙端光纖耦合的方式，其中輸入端可以連接保偏光纖，輸出端可以連接單?；蛘叨嗄９饫w。借助這種設(shè)置，使得單光子探測器可以實現(xiàn)為全光纖結(jié)構(gòu)，因而可以具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在本實用新型所提出的上轉(zhuǎn)換單光子探測器結(jié)構(gòu)，由于采用了連續(xù)的長波泵浦光源和周期性極化鈮酸鋰波導，可以將1μm波段（尤其是1064nm波長）的信號光高效地經(jīng)過非線性和頻轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換至硅探測器的最大響應(yīng)波段，從而彌補了商用的硅探測器和銦鎵砷/銦磷探測器的探測短板。同時，通過采用窄帶濾波結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)超低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測器，而進一步借助集成濾波結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)探測器系統(tǒng)的全光纖化，從而提供高穩(wěn)定性的上轉(zhuǎn)換單光子探測器系統(tǒng)，極大促進了探測器在各種應(yīng)用環(huán)境中的使用。