近红外上转换单光子探测器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种近红外上转换单光子探测器，其中通过在单模(多模)光纤的端面镀覆合适的光学薄膜结构来提供所需要的滤光功能，使得单光子探测器结构简单且易于小型化，同时能够有效减小光的损耗。

【技术实现步骤摘要】
近红外上转换单光子探测器
本技术涉及量子信息领域，更具体地涉及一种近红外的上转换单光子探测器。
技术介绍
量子密码利用量子测不准原理和未知量子态不可克隆定理，实现无条件安全的保密通信，在国防、公共安全和经济活动中都有着非常重要的意义。相比于量子计算机和量子中继器等研究分支，量子密码是量子信息学中目前最接近实用化的分支。然而，量子密码的实用化进程中仍然存在着技术瓶颈，其中之一就是通信波段单光子探测器的性能不完美，这就限制了量子密码的传输距离和成码率。当前，国际上通用的单光子探测器主要有：硅雪崩二极管单光子探测器，铟镓砷雪崩二极管单光子探测器，超导单光子探测器和上转换单光子探测器。硅雪崩二极管单光子探测器的探测波段为400nm至1000nm，具有探测效率高暗计数低(<100Hz)，后脉冲几率小(<1％)，死时间在纳秒级别等优点，但由于硅本身1.12电子伏特的能带隙造成其在1μm波段的探测效率只有2％左右。铟镓砷雪崩二极管单光子探测器的探测波段为1100-1700nm，重复频率仅约10MHz，这大大限制了该探测器的计数率。近年来，随着正弦门控和自差电路等新技术的出现，铟镓砷/铟磷单光子探测器已经可以工作在GHz的重复频率下，但是其10％的较低量子效率，约10kHz的暗计数，微秒级别的死时间和2％左右的后脉冲几率也限制了其广泛应用。铟镓砷/铟磷单光子探测器的效率最高点通常设计在1.55μm，其在1μm波段探测效率只有5％左右。超导单光子探测器具有暗计数低(100Hz左右)，时间分辨好(时间晃动60ps)等优点，但商用超导探测器需要连续的液氦制冷才能维持有效工作，液氦制冷设备体积大、成本昂贵，这是其广泛使用的瓶颈。上转换单光子探测器是通过非线性光学的和频过程，利用实现准相位匹配的周期极化铌酸锂波导等非线性器件将近红外单光子上转换成为可见光，再通过硅雪崩二极管单光子探测器探测。通过频率转换，高品质的硅探测器就可以用于近红外单光子的探测。而在上述非线性和频过程中，利用强泵浦光促使近红外单光子高效上转换的同时，也引入了大量的非线性噪声，主要来源于三个方面：拉曼噪声光子，强泵浦光产生的自发参量下转换光子、二次谐波及三次谐波光子，以及光学晶体不完美引起其他参量过程产生的光子。随着长波泵浦技术的专利技术以及相应的周期极化铌酸锂波导的研制成功，解决了波导非线性过程中引入高噪声的问题，长波泵浦技术可以消除自发参量下转换带来的噪声，同时也极大程度地减小了拉曼散射引入的噪声。但是，由于拉曼噪声频谱很宽，与信号光波段重叠，要想将之完全清除是不可能的，只能通过各种窄带滤波技术尽可能的降低噪声。例如，在常见的上转换单光子探测器中，泵浦光源输出例如1.95μm的单频连续激光，信号光为近红外的单光子源，周期极化铌酸锂波导在温度控制之下达到准相位匹配条件，信号光和泵浦光发生和频作用后转化成可见光波段的光信号，如此实现对近红外光信号到可见光波段的高效“搬运”。可见光波段信号光再通过一系列的滤波器件滤除各种噪声，然后接入硅探测器进行探测。目前，在上转换单光子探测器中使用到的滤波技术主要包括自由空间滤波技术及全光纤滤波技术两大类，其中：自由空间滤波技术包括基于多模光纤空间滤波技术、三棱镜滤波技术和体布拉格光栅滤波技术等，全光纤滤波技术包括U-Bench滤波技术、集成滤波器滤波技术和光纤布拉格光栅滤波技术等。图1示出了基于光学色散器件(诸如棱镜或光栅)的上转换单光子探测器结构，图2示出了基于多模光纤空间滤波技术的上转换单光子探测器结构，这两种结构均采用了自由空间滤波技术。图3示出了基于U-Bench滤波技术的上转换单光子探测器结构，图4示出了基于集成滤波器的上转换单光子探测器结构，图5示出了基于光纤布拉格光栅滤波的上转换单光子探测器结构，这几种结构中采用了全光纤滤波技术。采用自由空间滤波技术可以实现较高的探测效率和较低的噪声，但在自由空间滤波光路中需要采用多种光学器件，例如物镜L、二向色镜DM、光纤准直器FC、三棱镜和体布拉格光栅FBG等。这些光学器件上出现即使微米级的微小位移都会直接影响到最终的探测效率，因此，采用这种滤波技术的上转换探测器需要经过精密复杂的光路调节才能完成，这种精密调节往往只适合在实验室中实现。如果要将上转换单光子探测器产品化，就必须要克服光学镜片固化带来的极大困难。此外，基于自由空间滤波技术的上转换探测器产品体积较大；同时，由于要求完全固化，波导、物镜、二向色镜、滤波片、光纤准直器、三棱镜和体布拉格光栅等都不能重复使用，一个器件的损坏会造成整个滤波模块报废，维护成本很高。采用全光纤滤波技术可以解决基于自由空间滤波技术的上转换探测器在产品化过程中遇到的诸多难题，例如，其不仅能够克服镜片固化带来的困难，而且光纤器件可以通过合理的布局将上转换探测器产品小型化、便携化。与此同时，由于滤波器件全部为光纤器件，一个器件的损坏不会造成整个滤波模块报废，只需针对性地更换即可，维护方便且成本可控。然而，这种滤波技术也存在一些缺陷，例如，多种滤波片集成以及光纤器件连接会增加损耗，降低探测效率。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本技术提出了一种近红外上转换单光子探测器，其中通过采用光纤镀膜滤波技术来克服目前在上转换单光子探测器中采用的滤波技术所存在的不足。根据本技术的上转换单光子探测器可以包括泵浦光源、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导和单光子计数模块，其中，所述周期性极化铌酸锂波导的输出端经镀膜光纤连接所述单光子计数模块；并且所述镀膜光纤包括光纤和镀覆在所述光纤的端面上的光学薄膜，从而为进入所述单光子计数模块的光提供滤波功能。通过这种光学薄膜式滤光结构，使得单光子探测器结构简单且易于小型化，同时能够有效减小光的损耗。进一步地，所述单光子计数模块可以包括硅探测器。优选地，所述光学薄膜被选择成能够消除强泵浦光的二次谐波、三次谐波光子、寄生噪声和拉曼噪声光子中的一种或多种。优选地，所述光学薄膜包括窄带滤光膜和高反射膜中的一种或多种。优选地，在所述镀膜光纤的靠近所述周期性极化铌酸锂波导的端面上设置有窄带滤光膜，并且/或者在所述镀膜光纤的靠近所述单光子计数模块的端面上设置有高反射膜。优选地，所述周期性极化铌酸锂波导的入射端连接保偏光纤。优选地，信号光的波长为1550nm，泵浦光的波长为1950nm，所述镀膜光纤的端面上设置有863.6nm波段的窄带滤光膜、1950nm波段的高反射膜、975nm波段的高反射膜以及650nm波段的高反射膜中的一种或多种。更优选地，所述窄带滤光膜在863.6nm的波长下具有大于95％的透过率；所述1950nm波段的高反射膜在1950nm的波长下具有大于99％的反射率；所述975nm波段的高反射膜在975nm的波长下具有大于99％的反射率；所述650nm波段的高反射膜在650nm的波长下具有大于99％的反射率。进一步优选地，所述窄带滤光膜的带宽为3nm，所述高反射膜的带宽为5nm。优选地，所述波分复用器为保偏的波分复用器，且泵浦光和信号光通过保偏光纤进入所述波分复用器。附图说明图1示出了基于光学色散器件(棱镜或光栅)的上转换单光子探测器结构；图2示出了基于多模光纤空间滤波技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近红外上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导和单光子计数模块，其特征在于：所述周期性极化铌酸锂波导的输出端经镀膜光纤连接所述单光子计数模块；以及所述镀膜光纤包括光纤和镀覆在所述光纤的端面上的光学薄膜，从而为进入所述单光子计数模块的光提供滤波功能。

【技术特征摘要】
1.一种近红外上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、波分复用器、周期性极化铌酸锂波导和单光子计数模块，其特征在于：所述周期性极化铌酸锂波导的输出端经镀膜光纤连接所述单光子计数模块；以及所述镀膜光纤包括光纤和镀覆在所述光纤的端面上的光学薄膜，从而为进入所述单光子计数模块的光提供滤波功能。2.如权利要求1所述的近红外上转换单光子探测器，其中，所述单光子计数模块包括硅探测器。3.如权利要求1所述的近红外上转换单光子探测器，其中，所述光学薄膜被选择成能够消除强泵浦光的二次谐波、三次谐波光子、寄生噪声和拉曼噪声光子中的一种或多种。4.如权利要求1所述的近红外上转换单光子探测器，其中，所述光学薄膜包括窄带滤光膜和高反射膜中的一种或多种。5.如权利要求1所述的近红外上转换单光子探测器，其中，在所述镀膜光纤的靠近所述周期性极化铌酸锂波导的端面上设置有窄带滤光膜，并且/或者在所述镀膜光纤的靠近所述单光子计数模块的端面上设置有高反射膜。6.如权利要求1所述的近红外上转换单光子探测器，其中，所述周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚权，郑名扬，谢秀平，周飞，
申请(专利权)人：山东量子科学技术研究院有限公司，济南量子技术研究院，
类型：新型
国别省市：山东,37