专利名称：光通信波段单光子高效率探测的方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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，这一点对于本发明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。
发明内容
本发明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光通信波段单光子高效率探测的方法，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。
本发明目的实现由以下技术方案完成
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，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。
本发明的优点是，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
图1为本发明泵浦光为连续光的实施例示意方框图附图2为本发明泵浦光为脉冲光的实施例示意方框图附图3为本发明实施例1的基本光路图；附图4为本发明实施例2的基本光路图；附图5为本发明实施例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发明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；本发明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发明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发明的频率转换。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，脉冲泵浦光包含在转换系统2*中。此时，入射的单光子信号1*是脉冲的。为了使泵浦光、信号光和探测器在时间上达到同步，这里用时钟5来进行控制单光子信号的触发，脉冲泵浦光的触发以及探测系统的触发时刻，并且考虑到事件发生的先后，加入延时，目的是保证泵浦光脉冲与信号光脉冲时间上精确重合，保证探测器也准时的响应。由于脉冲泵浦光可以有很高的峰值功率，相应地，非线性晶体的有效非线性系数不需要很高，如BIBO(硼酸铋)晶体。
如图3-5所示，标号1-20分别为光纤准直器1准直距离满足使准直后的高斯光束束腰落在非线性晶体中心；平面激光腔反射镜2两面镀增透膜@入射信号光波段，靠近非线性晶体一面镀高反膜@泵浦光波段；非线性晶体3满足相位匹配条件，可以实现本发明中需要的信号光频率转移的非线性晶体，比如BIBO晶体、PPLN晶体或者PP-MgO:LN晶体等，工作温度精确控制；分光棱镜4布儒斯特角石英棱镜；泵浦源5光纤耦合输出的LD(半导体激光二极管激光器)。发射波长为808nm，最大输出功率20W。由光学聚焦系统耦合到激光增益介质上；凹面激光腔反射镜6两面镀增透膜@808nm，曲面镀高反膜@泵浦激光波长，曲率半径R＝-100mm；激光增益晶体7掺Nd3+离子激光增益介质，(如Nd3+:GdVO4，Nd3+:YVO4)长度为3mm，两面镀增透膜@腔内泵浦激光波段，掺杂浓度为1％；凹面激光腔反射镜8两面镀增透膜@入射信号光波段，曲面镀高反膜@腔内泵浦光波段，反射率为98％，曲率半径R＝-500mm；光阑9狭缝光阑；滤光系统10包括以转换后信号光波长为中心的带宽为10nm的干涉滤光片和镀0°入射高反膜@泵浦光波长和两面增透膜@转换后信号光波长的平面反射镜各一片；
探测器11硅雪崩光电二极管，工作在单光子计数模式下；光纤偏振控制器12用于控制光纤出射光的偏振方向；收集透镜13焦距50mm左右，两面镀频率转换后信号光波段增透膜；光隔离器14只允许光单方向(顺时针或逆时针)通过的器件，工作波长在泵浦光波段；主动调Q元件15工作波长与泵浦光波长一致的声光或者电光调Q开关；主动锁模元件16用于实现腔内主动锁模的声光或者电光调制器，工作波长@泵浦光波长。
平面腔镜17泵浦光波段激光高反镜，反射率大于99.9％。两表面镀有泵浦源808nm的增透膜；耦合输入腔镜18平面激光反射镜，在泵浦光波段反射率95％；凹面激光腔镜19曲率半径R＝-75mm，曲面镀泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，两面镀频率转移前信号光波段的增透膜；凹面激光腔镜20曲率半径R＝-75mm，曲面镀泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，两面镀频率转移后信号光波段的增透膜；实施例1.1实现本实施例的结构示意图如图3所示，谐振腔包括两面平面反射镜和两面凹面反射镜，构成一个环形谐振腔，满足谐振腔稳定条件。该环形谐振腔是用于产生泵浦光的有源腔，既在腔内得到泵浦光，同时也在腔内实现频率转换。1064nm的泵浦光由固体钕离子激光器产生。光纤耦合输出的半导体二极管激光器产生最大出射功率为20W的808nm激光5由光学系统聚焦在钕离子激光增益晶体7上，在环型的激光谐振腔中实现激光振荡。在腔内插入光隔离器，这样可以在环形腔内实现泵浦光的单纵模行波振荡。腔内1064nm激光功率的大小可以通过改变由LD发出的808nm泵浦光5功率进行调节。此方案中使用的40mm长非线性晶体PPLN，两面镀有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既为了减少弱光信号损耗，也是减少谐振腔的插入损耗。
PPLN晶体利用了准相位匹配相互作用，选择了特定的极化周期来实现泵浦光1064nm与入射信号光1550nm和频相互作用得到转换后信号光631nm，有效非线性系数约为16pm/V。本实施例中采用的PPLN晶体的极化周期为11.80μm或12.0μm。1550nm的单光子信号由光纤输出，经过光纤偏振控制器12调整偏振于谐振腔内1064nm激光光场偏振一致，满足I类相位匹配条件。经过准直器1后，入射到非线性晶体3上，准直的束腰落在非线性晶体的中间位置。非线性晶体的温度被精确控制，偏差小于0.1℃。仔细调整1550nm入射光的位置，使入射光在非线性晶体中与谐振腔内的1064nm光场很好的重合。这样，强的1064nm泵浦光和弱的1550nm信号光在非线性晶体里相互作用，入射的1550nm的信号光频率上转换为631nm的信号光。控制腔内有效入射非线性晶体的泵浦光强度，使得转换效率达到最大同时也实现了量子态转移。为了减小弱光信号(包括频率转换前的1550nm信号和频率转换后的631nm信号)损耗，在其经过的元件上都镀有相应的增透膜。转换后的631nm信号光与1064nm的泵浦光一同输出谐振腔外，经过分光棱镜在空间上分离，通过滤光系统与光阑将631nm的信号光分离出来，并用收集透镜将信号光收集，保证能够射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs进行探测。
实施例1.2与实施例1.1相比，本实施例中入射的单光子信号在1310nm波段，相应的转换后信号波段为587nm。实施例1.1中涉及的激光腔镜在1550nm的增透膜相应调整为1310nm波段的增透膜。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1064nm、入射信号光1310nm和出射信号光587nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件也调整为1310nm与1064nm和频得到587nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为587nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为587nm，反射镜增透膜波长调整为587nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例1.1相同。
实施例1.3与实施例1.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm，光隔离器的工作波长调整到1342nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1550nm和出射信号光719nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1550nm与1342nm和频得到719nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为719nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为719nm，反射镜增透膜波长调整为719nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例1.1相同。
实施例1.4与实施例1.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm，光隔离器的工作波长调整到1342nm。入射单光子信号光的波段为1310nm，在单光子信号输入端，实施例1.1中在1550nm的激光腔镜的增透膜波段调整到1310nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1310nm和出射信号光663nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1310nm与1342nm和频得到663nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为663nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为663nm，反射镜增透膜波长调整为663nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与与实施例1.1相同。
实施例2.1如图4所示，实施例中，1064nm的泵浦光由固体钕离子激光器产生。光纤耦合输出的半导体二极管激光器产生最大出射功率为20W的激光5由光学系统聚焦在钕离子激光增益晶体7上，在L型的激光谐振腔中实现激光振荡。L型的激光谐振腔是由两面凹面激光腔反射镜6和8和一面平面激光腔反射镜2构成，两臂之间的夹角大约为18°。激光腔结构满足稳定的谐振腔条件。凹面激光腔反射镜8对1064nm激光的反射率为98％，由于沿谐振腔两臂的方向都有激光出射，其总的耦合输出率约为3％，腔内激光为线偏振。如果谐振腔的1064nm输出光功率为3W时，则腔内的功率为100W。腔内1064nm激光功率的大小可以通过改变由LD发出的808nm泵浦光5功率进行调节。因为谐振腔内光束的光斑尺寸在靠近平面激光腔反射镜2的位置上比较小，将非线性晶体3放置于此处能得到较大的入射光功率密度。此方案中使用的40mm长非线性晶体PPLN两面镀有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既为了减少弱光信号损耗，也是减少谐振腔的插入损耗。
PPLN晶体利用了准相位匹配相互作用，选择了特定的极化周期来实现泵浦光1064nm与入射信号光1550nm和频相互作用得到转换后信号光631nm，有效非线性系数约为16pm/V。极化周期与实施例1.1相同。1550nm的单光子信号由光纤输出，经过光纤偏振控制器12调整偏振于谐振腔内1064nm激光光场偏振一致，满足I类相位匹配条件。经过准直器1后，入射到非线性晶体3上，准直的束腰落在非线性晶体的中间位置。非线性晶体的温度被被精确控制，偏差小于0.1℃。仔细调整1550nm入射光的位置，使入射光在非线性晶体中与谐振腔内的1064nm光场很好的重合。这样，强的1064nm泵浦光和弱的1550nm信号光在非线性晶体里相互作用，入射的1550nm的信号光频率上转换为631nm的信号光。控制腔内有效入射非线性晶体的泵浦光强度，使得转换效率达到最大同时也实现了量子态转移。为了减小弱光信号(包括频率转换前的1550nm信号和频率转换后的631nm信号)损耗，在其经过的元件上都镀有相应的增透膜。1064nm泵浦光和转换后的631nm信号光经过凹面激光腔反射镜8输出谐振腔外，此时它们在空间上基本上还是重合的。经过分光棱镜4后，泵浦光和信号光在空间上被分开，通过收集透镜13将631nm的信号光收集起来，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狭缝光阑9空间滤掉1064nm泵浦光成分，只允许631nm的信号光通过。为了进一步提纯信号光，以免受到其他波段光的干扰，在进入硅雪崩光电二极管探测器11之前，我们用中心波长在631nm的窄带滤波片和平面高反镜@1064nm组成的滤波系统10进一步分离出631nm的弱信号光。
实施例2.2与实施例2.1相比，本实施例中入射的单光子信号在1310nm波段，相应的转换后信号波段为587nm。实施例2.1中涉及的激光腔镜在1550nm的增透膜相应调整为1310nm波段的增透膜。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1064nm、入射信号光1310nm和出射信号光587nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件也调整为1310nm与1064nm和频得到587nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为587nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为587nm，反射镜增透膜波长调整为587nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例2.1一致。
实施例2.3与实施例2.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1550nm和出射信号光719nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1550nm与1342nm和频得到719nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为719nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为719nm，反射镜增透膜波长调整为719nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例2.1一致。
实施例2.4与实施例2.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。入射单光子信号光的波段为1310nm，在单光子信号输入端，原方案中在1550nm的激光腔镜的增透膜波段调整到1310nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1310nm和出射信号光663nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1310nm与1342nm和频得到663nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为663nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为663nm，反射镜增透膜波长调整为663nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例2.1一致。
实施例3.1如图5，与实施例2相比，本实施例采用了脉冲的工作方式。本实施例中采用的谐振腔结构与实施例2完全一致。为了使泵浦光在脉冲方式下运行，我们在腔内插入了1064nm的调Q元件(可以是声光调Q元件或者电光调Q元件)。调Q元件可以用来调节激光腔的损耗。调Q的过程可以描述如下在激光泵浦刚刚开始的时候，调Q元件产生很高的损耗，使得激光无法振荡输出。由于持续泵浦，能量被储存起来。此时调Q元件突然降低损耗，在极短的时间里将储存的能量释放出来，即形成一个强的激光脉冲。Q脉冲有很高的峰值功率，较短的脉冲宽度。调Q元件的触发频率锁定1064nm泵浦光调Q脉冲的重复频率与信号光的重复频率一致。入射的1550nm单光子信号光也是脉冲的，脉宽约为1个ns(10-9s)。如图3所描述的，信号光、Q开关元件和探测器的触发都由一个时钟脉冲控制，并适当引入延时，保证信号光、泵浦光脉冲以及探测器的触发脉冲在时间上的重合。
非线性晶体3可以使用有效非线性系数稍低的晶体，比如长度10mm的BIBO晶体，晶体的切割角度为θ＝7.7°，＝0°，满足当1064nm泵浦光与1550nm入射信号光正入射的时候和频得到631nm出射信号光的角度相位匹配条件。晶体两面同样镀有增透膜@631nm&1064nm&1550nm。腔内的调Q脉冲宽度在10ns(10-9秒)量级，脉冲宽度比信号光脉冲大一个量级左右以保证单光子信号光完全被频率转换。调整808nm泵浦源的功率以及Q脉冲的宽度(调节Q开关)使得泵浦脉冲的峰值功率(几个kW量级)满足频率转换的要求。1550nm的单光子信号由光纤输出，经过光纤偏振控制器12调整偏振于谐振腔内1064nm激光光场偏振一致，满足I类相位匹配条件。经过准直器1后，入射到非线性晶体3上，准直的束腰落在非线性晶体的中间位置。仔细调整1550nm入射光的位置，使入射光在非线性晶体中与谐振腔内的1064nm光场很好的重合。在非线性和频作用下入射的1550nm的信号光频率上转换为631nm的信号光。为了减小弱光信号(包括频率转换前的1550nm信号和频率转换后的631nm信号)损耗，在其经过的元件上都镀有相应波段的增透膜。1064nm泵浦光和转换后的631nm信号光经过凹面激光腔反射镜8输出谐振腔外，此时它们在空间上基本上还是重合的。经过分光棱镜4后，泵浦光和信号光在空间上被分开，通过收集透镜13将631nm的信号光收集起来，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狭缝光阑9空间滤掉1064nm泵浦光成分，只允许631nm的信号光通过。滤光系统10包括中心波长在631nm的窄带滤波片和平面高反镜@1064nm，可以进一步分离出631nm的信号光。
实施例3.2与实施例3.1相比，本实施例中入射的单光子信号在1310nm波段，相应的转换后信号波段为587nm。方案3.1中涉及的激光腔镜在1550nm的增透膜相应调整为1310nm波段的增透膜。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1064nm、入射信号光1310nm和出射信号光587nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件也调整为1310nm与1064nm和频得到587nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为587nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为587nm，反射镜增透膜波长调整为587nm。其他元件、实现方法和步骤与方案3.1一致。
实施例3.3与实施例3.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。Q开关的工作波长调整为1342nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1550nm和出射信号光719nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1550nm与1342nm和频得到719nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为719nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为719nm，反射镜增透膜波长调整为719nm，高反波长调整到1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例3.1一致。
实施例3.4与实施例3.1相比，本方案中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。入射单光子信号光的波段为1310nm，在单光子信号输入端，原方案中在1550nm的激光腔镜的增透膜波段调整到1310nm。Q开关的工作波长调整为1342nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1310nm和出射信号光663nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件调整到1310nm与1342nm和频得到663nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为663nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为663nm，反射镜增透膜波长调整为663nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例3.1一致。
实施例4.1锁模脉冲同样可以得到较高的峰值功率，本实施例中用主动锁模的方法取代了实施例3中的调Q的方法。主动锁模技术是在激光腔内放置一个调制器，该调制器对腔内激光产生一个幅度或者相位的调制，目的是使腔内的纵模间隔完全相等。间隔相等的各个纵模之间实现相干叠加，于是得到高峰值功率、短脉冲宽度的激光脉冲。由于锁模脉冲的重复频率是由激光谐振腔的长度决定的，所以我们设计谐振腔结构的时候，设定合适的谐振腔长度值，使得泵浦光重复频率等于信号光重复频率，或者是信号光重复频率的整数倍，这样我们才能保证泵浦光脉冲与信号光脉冲可以一一对应，在时间上实现重合。因为泵浦光是脉冲的，所以用于频率转换的信号光也是脉冲的，实现示意图如图2所示。锁模脉冲具有脉冲宽度窄，重复频率高的特点，一方面可以实现高重复频率的入射信号光频率转换，另一方面也要求信号光具有很窄的脉冲宽度。在本方案中，泵浦光的脉冲宽度约为几十ps(10-12s)，重复频率几十MHz，入射的信号光脉冲宽度约为几个ps，重复频率可以高达几MHz甚至几十MHz。
本实施例的结构示意图与图5基本一致，由于谐振腔的长度设定在一个特定的值，各凹面激光腔镜的曲率半径也作了相应的调整，另外在腔内插入的并不是Q开关元件，而是可以产生锁模调制的声光或者电光调制器16，调制器的工作波长在1064nm。如图2所描述的，信号光、电光或者声光调制器和探测器的触发都由一个时钟脉冲控制，并适当引入延时，保证信号光、泵浦光脉冲以及探测器的触发脉冲在时间上的重合。
非线性晶体放置在固体钕离子激光器的谐振腔中，由808nm的半导体二极管激光器作为泵浦源，腔内产生1064nm的泵浦光锁模脉冲。由于是高功率下运行，与实施例3一样，本实施例也可以使用有效非线性系数较低的晶体。非线性晶体的相位匹配条件满足泵浦光1064nm与信号光1550nm和频产生631nm，晶体两面镀有增透膜。调整入射1550nm的单光子信号光的偏振使之满足I类相位匹配。调整808nm泵浦源的输出功率，使得腔内的泵浦光脉冲峰值功率满足频率转换效率最大的条件。在信号光(包括转换前的1550nm和转换后的631nm)经过的元件表面都镀有相应波段的增透膜。转换后的631nm信号光与1064nm的泵浦光一同输出谐振腔外，经过分光棱镜在空间上分离，通过滤光系统与光阑将631nm的信号光分离出来，并用收集透镜将信号光收集，保证能够射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs进行探测。
实施例4.2与实施例4.1相比，本实施例中入射的单光子信号在1310nm波段，相应的转换后信号波段为587nm。实施例4.1中涉及的激光腔镜在1550nm的增透膜相应调整为1310nm波段的增透膜。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1064nm、入射信号光1310nm和出射信号光587nm波段的增透膜。非线性晶体的相位匹配条件也调整为1310nm与1064nm和频得到587nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为587nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为587nm，反射镜增透膜波长调整为587nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例4.1一致。
实施例4.3与实施例4.1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1550nm和出射信号光719nm波段的增透膜。调制器的工作波长调整为1342nm。非线性晶体的相位匹配条件调整到1550nm与1342nm和频得到719nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为719nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为719nm，反射镜增透膜波长调整为719nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例4.1一致。
实施例4.4与实施例4-1相比，本实施例中使用的泵浦光波长为1342nm，同样由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器产生。各激光腔反射镜的高反波段调整到1342nm。入射单光子信号光的波段为1310nm，在单光子信号输入端，原方案中在1550nm的激光腔镜的增透膜波段调整到1310nm。非线性晶体两表面镀膜调整为泵浦光1342nm、入射信号光1310nm和出射信号光663nm波段的增透膜。调制器的工作波长调整为1342nm。非线性晶体的相位匹配条件调整到1310nm与1342nm和频得到663nm输出。在转换后信号光输出的一端，激光腔镜和收集透镜的增透膜调整为663nm波段。滤光系统中，滤光片的中心波长调整为663nm，反射镜增透膜波长调整为663nm，高反膜波长调整为1342nm。其他元件、实现方法和步骤与实施例4.1一致。
虽然以上已经参照附图对按照本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明做出各种改进和变换，例如非线性晶体种类的变换、光路的变换、符合本发明使用要求的激光器光源种类和谐振腔结构的变换等等。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1所述的一种光通信波段单光子高效率探测的方法，其特征在于所述的作为信号光的单光子指的是光通信波段单光子。
3.根据权利要求1所述的一种光通信波段单光子高效率探测的方法，其特征在于所述的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。。
4.根据权利要求1所述的一种光通信波段单光子高效率探测的方法，其特征在于所述的泵浦光的强度至少应该使得非线性晶体产生非线性极化，但是不能超过非线性晶体的损伤阈值。
5.根据权利要求1所述的一种通信波段单光子源的产生方法，其特征在于所述的相位匹配条件指的是角度相位匹配或者是准相位匹配。
全文摘要
本发明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。
文档编号G02F1/35GK1614495SQ20041008462
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月26日 优先权日2004年11月26日
发明者曾和平, 周春源, 吴光, 韩晓红, 潘海峰 申请人:华东师范大学