光通信波段单光子高效率探测的方法技术

本发明专利技术涉及量子保密通信系统中，具体涉及光通信波段单光子信号通过非线性频率上转换实现单光子高效率探测的方法，该方法首先将非线性晶体放入泵浦光的有源谐振腔内，将作为信号光的单光子入射进非线性晶体，该非线性晶体被光泵浦，其中的泵浦光的频率大于单光子源的频率，使得信号光与泵浦光发生和频，在滤出近红外波段单光子信号光成分后再用硅ＡＰＤｓ进行探测，其优点是通过频率上转换将单光子水平的信号光频率转移到近红外波段，可控制频率转换效率接近１００％，大大提高探测性能，克服系统调试的难度，且频率转换的稳定性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及量子光学应用领域，应用于量子保密通信系统中，具体的是光通信波段单光子信号通过非线性频率上转换实现单光子高效率探测的方法。
技术介绍
光通信波段的信号是指在中红外波段的1.3μm和1.5μm的信号光，因为与其它波段相比，光纤对这两个波段的损耗和色散的影响最小，所以特别能够适用于单光子信号长距离的光纤传输。然而，在量子保密通信系统中，我们需要将信号光强度降低到单光子水平，由于在光通信波段的单光子探测器的性能不佳，光通信波段信号的优越性被大大削弱。现在，用于单光子探测的主要是半导体雪崩光电二极管探测器APDs，APDs即雪崩光电二极管探测器。当用于单光子探测的时候，雪崩光电二极管工作在盖格模式下，其工作电压大于APDs的雪崩电压。在目前的光通信波段(包括1.3μm和1.5μm)使用的是锗雪崩光电二极管或者铟镓砷雪崩光电二极管，它们的性能类似。以铟镓砷雪崩光电二极管为例，普遍使用的铟镓砷APDs探测器的量子效率通常小于10％，暗计数高达每秒104-105。除此以外，铟镓砷APDs探测器有十分严重的后脉冲，这个缺点影响了其在高重复频率工作的性能，因此通常只能工作在低重复频率的门限模式下。为了尽量降低铟镓砷APDs的暗计数，通常还要用半导体制冷装置或者液氮制冷控制APDs在低温条件下工作。相比之下，工作在近红外波段的硅雪崩光电二极管凸显出其简单、高效的优势。硅APDs的探测效率一般可以达到70％--80％，暗计数小于每秒100次，并且工作时产生的后脉冲可以抑制。因此，硅的APDs探测器可以对单光子信号实现高速率高效率的探测，工作重复频率可以达到10MHz以上。可以预见，如果能将光通信波段在传输方面的优点和硅雪崩光电二极管在探测方面的优点结合起来，必将使量子保密通信的传输距离，量子密钥分发的成码率等性能都得到显著的提高。其中一个最为关键的问题就是如何将光通信波段的单光子信号光高效率地转换到可见光波段(单光子非线性频率上转换)。在光学领域，通常利用非线性效应(如非线性和频或者差频等)实现光频率的转换。在理论上可以证明应用强泵浦光和单光子信号光在非线性晶体中作用，可以实现光通信波段单光子信号转移至近红外波段信号。也可以证明，在频率上转换的过程中当转换效率达到最大的时候，在实现频率上转移的同时也实现了量子特性的转移，这一点对于本专利技术应用于量子保密通信系统也是很重要的。为了实现有效的非线性频率上转换，尽量提高有效入射非线性晶体的泵浦光强度是必要的。通常使用的方法是，将泵浦光注入一个外置的谐振腔，用反馈伺服控制系统控制其中一面腔镜，使得谐振腔的谐振频率与泵浦光的频率相匹配，达到腔内功率增强的效果。放置在这个外腔中的非线性晶体可以获得数十倍于泵浦光的有效入射光强度。然而，这种方法有一个显著的缺点由于外置谐振腔是无源腔，为了实现谐振频率与泵浦光频率的锁定，就必须依赖伺服系统锁定腔的谐振频率。这样就会大大增加系统的复杂程度和调整难度，系统的稳定性也难以得到提高。
技术实现思路
本专利技术是为了克服上述现有技术中外置谐振腔的不足而提出一种，该方法在实现量子特性转移的前提下，利用非线性光学过程，将光通信波段的单光子信号光高效率地频率上转换到近红外波段，最后用硅雪崩光电二极管实现单光子信号的高效率探测。通过这样的处理方法，我们就能够将光通信波段的传输优势和硅雪崩光电二极管的探测优势结合起来，使高效的单光子频率转换、灵敏的探测应用于量子保密通信领域，从而发展出适用于量子保密通信系统的高效单光子灵敏探测技术。本专利技术目的实现由以下技术方案完成 一种，其特征在于该方法首先将非线性晶体放入泵浦光的有源谐振腔内，将作为信号光的单光子入射进非线性晶体，该非线性晶体被光泵浦，其中的泵浦光的频率大于单光子源的频率，然后调整信号光与腔内泵浦光在非线性晶体中重合，并满足相位匹配条件，使得作为信号光的单光子源与泵浦光发生和频，再用色散元件将出射光各频谱成份分开，滤出转换后的近红外波段单光子信号光成分，之后用硅APDs进行探测。作为信号光的单光子指的是光通信波段单光子。非线性晶体指的是有二阶非线性效应，并且通光波段包含泵浦光，入射信号光和转换后信号光波长的非线性晶体。所述的相位匹配条件是指是角度相位匹配或者是准相位匹配，其中的角度相位匹配是选择特定的非线性晶体切割角度，使得在非线性晶体中，泵浦光与入射信号光的波矢量叠加后与转换后信号光的波矢量相等；其中的准相位匹配是对非线性晶体作周期极化，特定的极化周期可以对应实现特定波长的泵浦光和入射信号光的相位匹配。本专利技术的优点是，成功的将非线性光学频率转换引入量子保密通信系统，通过频率上转换将单光子水平的信号光频率转移到近红外波段，可控制频率转换效率接近100％。用硅雪崩光电二极管代替铟镓砷雪崩光电二极管探测，可以大大提高探测性能。探测性能的提高会对量子保密通信系统的工作技术指标，比如通信距离，量子密钥分发的成码率，通信速率等带来跨越式的提高。将非线性晶体放置在产生泵浦光的谐振腔内，一方面可以克服系统调试的难度，同时也可以提高频率转换的稳定性。附图概述附附图说明图1为本专利技术泵浦光为连续光的实施例示意方框图附图2为本专利技术泵浦光为脉冲光的实施例示意方框图附图3为本专利技术实施例1的基本光路图；附图4为本专利技术实施例2的基本光路图；附图5为本专利技术实施例3的基本光路图；具体技术方案以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解在本实施例中光通信波段1.5μm以1550nm为例，1.3μm以1310nm为例，附近其他波段与这两个波段的实现方法一致；本专利技术中泵浦光源以半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器为例，典型波长为1064nm和1342nm，其他类型泵浦源与泵浦光波长与专利技术实施例中实现方法一致。非线性晶体的相位匹配条件主要有晶体的切割角度，晶体的工作温度；如果是PPLN晶体，还与晶体的反转周期等有关。产生泵浦光的谐振腔，其输出镜的透射率通常为百分之几或百分之十几，则谐振腔内的光强可以达到出射光强的十几倍甚至几十倍。将非线性晶体置于此谐振腔内，可以得到高于出射光强度1-2个数量级的有效入射光强度。由于将非线性晶体置于泵浦光的有源腔中，不需要附加的装置就能获得高稳定的入射泵浦光功率，这也能大大提高频率转换的稳定度。在本实施例方案中，由于非线性晶体放置在泵浦光的有源谐振腔中，连续或者脉冲的泵浦光都可以应用于本专利技术的频率转换。为了实现充分的频率转换，信号光和泵浦光在时间上也要实现重合。如果泵浦光是连续的，那么入射的频率转换前的信号光可以是连续的也可以是脉冲的；如果泵浦光是脉冲的，入射的单光子信号也只能是脉冲的，这样才有可能实现时间上的重合。技术实现的简单示意图如图1、2所示(1)泵浦光是连续光按照图1所示，泵浦光包含在转换系统2中。此时，因为泵浦光是连续的，所以连续的或者脉冲的单光子信号都可以实现频率转换。但是，因为连续的泵浦光很难达到很高的功率，所以此时对转换系统2中使用的非线性晶体的有效非线性系数要求比较高，如PPLN(周期极化的铌酸锂)晶体、PP-MgO:LN(周期极化的掺氧化镁的铌酸锂)晶体等周期极化的准相位匹配非线性晶体。(2)泵浦光是脉冲光依照图2所示，脉冲泵浦光包含在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光通信波段单光子高效率探测的方法，其特征在于该方法首先将非线性晶体放入泵浦光的有源谐振腔内，将作为信号光的单光子入射进非线性晶体，该非线性晶体被光泵浦，其中的泵浦光的频率大于单光子源的频率，调整信号光与腔内泵浦光在非线性晶体中重合，并满足相位匹配条件，使得作为信号光的单光子源与泵浦光发生和频，再用色散元件将出射光各频谱成份分开，滤出转换后的近红外波段单光子信号光成分，之后用硅ＡＰＤｓ进行探测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，周春源，吴光，韩晓红，潘海峰，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]