基于全光纖器件的高效率近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及單光子探測(cè)器領(lǐng)域，尤其是公開了一種基于全光纖器件的高效率近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，國(guó)際上通用的近紅外單光子探測(cè)器有三類:超導(dǎo)探測(cè)器、銦鎵砷雪崩二極管單光子探測(cè)器和上轉(zhuǎn)換探測(cè)器。
[0003]超導(dǎo)探測(cè)器具有暗計(jì)數(shù)低(100 Hz左右)、時(shí)間分辨好(時(shí)間晃動(dòng)60 ps)等優(yōu)點(diǎn)，但商用超導(dǎo)探測(cè)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。商用的InGaAs/InP單光子探測(cè)器的重復(fù)頻率僅約10MHz，這大大限制了使用其的量子密碼系統(tǒng)的傳輸距離和成碼率。近年來(lái)，隨著正弦門控和自差分電路等新技術(shù)的出現(xiàn)，InGaAs/InP單光子探測(cè)器已經(jīng)可以工作在GHz的重復(fù)頻率下，但是10%的量子效率、約10000Hz的暗計(jì)數(shù)和2%左右的后脈沖也限制了其在量子密碼中的應(yīng)用。
[0004]上轉(zhuǎn)換探測(cè)器是通過(guò)非線性光學(xué)的和頻過(guò)程，利用周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，將通信波段信號(hào)光上轉(zhuǎn)換成為可見光，再利用硅雪崩二極管單光子探測(cè)器探測(cè)。硅雪崩二極管單光子探測(cè)器對(duì)可見光波段單光子信號(hào)具有探測(cè)效率高(70%)、暗計(jì)數(shù)低(<100 Hz)和后脈沖少等優(yōu)點(diǎn)，而通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換，高品質(zhì)的硅探測(cè)器就可以用于通信波段單光子探測(cè)。
[0005]而在上述非線性和頻過(guò)程中，利用強(qiáng)泵浦光促進(jìn)通信波段信號(hào)光高效上轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也引入了大量的非線性噪聲，主要來(lái)源于三個(gè)方面:拉曼噪聲光子，強(qiáng)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。隨著長(zhǎng)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(dǎo)的研制成功，解決了波導(dǎo)非線性過(guò)程中引入高噪聲的問(wèn)題，長(zhǎng)波泵浦技術(shù)可以消除自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換帶來(lái)的噪聲，同時(shí)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(qiáng)泵浦光的二次諧波、三次諧波光子及拉曼噪聲光子。
[0006]圖1和圖2是目前已有的搭建于實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器架構(gòu)。泵浦光源為一個(gè)摻銩光纖激光器，輸出1.95um的單頻連續(xù)激光，采用單模光纖耦合輸出。信號(hào)光為近紅外的單光子光源，同樣采用單模光纖耦合輸出。由于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)只能傳輸ΤΜ00模式光信號(hào)，泵浦光和信號(hào)光均需要通過(guò)偏振控制器，然后接入波分復(fù)用器合成一束，再經(jīng)由單模光纖輸入到周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)中，其中周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)需要進(jìn)行溫度控制。
[0007]如前所述，強(qiáng)泵浦光會(huì)引入二次和三次諧波光子，這可以通過(guò)濾波片消除，但是拉曼噪聲的頻譜很寬，要想將之完全清除是不可能的，只能通過(guò)各種窄帶濾波技術(shù)盡可能的降低噪聲。目前，主要的濾波技術(shù)包括:基于多模光纖的空間濾波技術(shù)(如圖1)，基于光學(xué)色散器件(三棱鏡或體布拉格光柵)的空間濾波技術(shù)(如圖2)。多模光纖空間濾波技術(shù)的探測(cè)效率約27%，暗計(jì)數(shù)約2800 Hz ;三棱鏡濾波技術(shù)的探測(cè)效率約30%，暗計(jì)數(shù)約1500 Hz ;體布拉格光柵濾波技術(shù)的探測(cè)效率約30%，暗計(jì)數(shù)約100 Hz?這三種濾波技術(shù)都需要搭建自由空間濾波光路，多模光纖的高效耦合、三棱鏡以及體布拉格光柵的擺放都要經(jīng)過(guò)精密復(fù)雜的光路調(diào)節(jié)才能完成，這對(duì)于上轉(zhuǎn)換探測(cè)器產(chǎn)品化過(guò)程中的光學(xué)器件固化與穩(wěn)定性都帶來(lái)極大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于全光纖器件的高效率近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，該近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器通過(guò)U-Bench (U型雙端光纖耦合濾波器件)來(lái)完成空間濾波。U-Bench的入射端為單模或多模光纖，出射端為多模光纖，其內(nèi)部有可以固定多種光學(xué)鏡片的接口。這種結(jié)構(gòu)保證了單光子探測(cè)器的探測(cè)效率。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種基于全光纖器件的高效率近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，包括:信號(hào)光，用來(lái)輸出單頻連續(xù)激光的泵浦光源，泵浦光源和信號(hào)光均采用保偏光纖耦合輸出，通過(guò)保偏光纖接入保偏的波分復(fù)用器，將泵浦光和信號(hào)光合成一束，并經(jīng)保偏光纖輸入到周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)中，周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)出射端通過(guò)光纖連接U-Bench (U型雙端光纖耦合濾波器件)，U-Bench通過(guò)多模光纖連接單光子計(jì)數(shù)器模塊。
[0011]所述泵浦光源為一個(gè)摻銩光纖激光器。
[0012]所述周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)出射端通過(guò)單模光纖或多模光纖連接U-Bench。
[0013]所述信號(hào)光為近紅外的單光子光源。
[0014]所述U-Bench的入射端為單?；蚨嗄９饫w，出射端為多模光纖，其內(nèi)部有可固定多種光學(xué)鏡片的接口。
[0015]所述U-Bench中的濾波器件包括短通濾波片、長(zhǎng)通濾波片和帶通濾波片，還包括隔離泵浦光同時(shí)高效透過(guò)和頻光的濾波片。
[0016]所述U-Bench為集成的微型濾波模塊。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0018]1、本實(shí)用新型更能滿足近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器對(duì)噪聲大小要求不高對(duì)探測(cè)效率要求高的情況。
[0019]2、周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)前端光路均采用保偏光纖輸入或輸出，省去進(jìn)入波導(dǎo)前兩種光信號(hào)的偏振調(diào)節(jié)，這樣使整個(gè)探測(cè)器更加緊湊。
[0020]3、采用全光纖器件濾波技術(shù)，由于光纖器件連接簡(jiǎn)易快捷且對(duì)形變不敏感，濾波模塊全光纖化不僅可以克服固化帶來(lái)的困難，還消除了產(chǎn)品潛在的不穩(wěn)定性。
[0021]4、采用全光纖器件濾波技術(shù)，光纖器件可以通過(guò)合理的布局將上轉(zhuǎn)換探測(cè)器產(chǎn)品小型化、便攜化。
[0022]5、采用全光纖器件濾波技術(shù)，由于濾波器件全部為光纖器件，一個(gè)器件的損壞不會(huì)造成整個(gè)濾波模塊報(bào)銷，只需針對(duì)性地更換即可，維護(hù)方便且成本可控。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為現(xiàn)有技術(shù)基于多模光纖空間濾波技術(shù)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)；
[0024]圖2為現(xiàn)有技術(shù)基于光學(xué)色散器件(棱鏡或光柵)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)；
[0025]圖3為本實(shí)用新型基于U-Bench空間濾波技術(shù)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)；
[0026]圖4為本實(shí)用新型基于U-Bench空間濾波技術(shù)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器中U-Bench的濾波片集成為一片的結(jié)構(gòu)；
[0027]圖5為本實(shí)用新型基于集成的微型濾波模塊的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，圖1至圖5中相關(guān)注釋如下:
[0029]1.95um pump:1.95um泵浦光激光器；PMF:保偏光纖；MMF:多模光纖；PPLN WG:周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)；SMF:單模光纖；SPCM:單光子計(jì)數(shù)模塊；Signal:信號(hào)光；PC:偏振控制器；L:透鏡；DM:二向色鏡；F1、F2、F3、F5、F6:濾波片；F4:棱鏡；R:反射鏡；FC:光纖耦合器。
[0030]本實(shí)用新型的基于全光纖器件的高效率近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器包括:信號(hào)光，信號(hào)光為近紅外的單光子光源；用來(lái)輸出單頻連續(xù)激光的泵浦光源，泵浦光源為一個(gè)摻銩光纖激光器；泵浦光源和信號(hào)光均采用保偏光纖耦合輸出，通過(guò)保偏光纖接入保偏的波分復(fù)用器，將泵浦光和信號(hào)光合成一束，并經(jīng)保偏光纖輸入到周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)中，周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)出射端通過(guò)單模光纖或多模光纖連接U-Bench (U型