用于波长为1064nm的信号光的上转换单光子探测器的制作方法

本实用新型涉及量子信息领域，更具体地涉及单光子探测器。

背景技术：

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（70%@630nm），暗计数低（<100 Hz），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（100 Hz左右），时间分辨好（时间晃动60 ps）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发明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，因此滤波光路主要考虑滤除源于强泵浦光的二次谐波、三次谐波光子及拉曼噪声光子。

已知国内有科研小组利用周期性极化的铌酸锂晶体和1.55μm的脉冲泵浦光，将1μm波段上转换到可见光波段，然后利用硅探测器进行探测，可以实现超低噪声的1μm探测系统，但使用晶体以及脉冲光泵浦，探测器的整体探测效率也大幅度下降。

由于1μm波段的激光器借助其成熟的技术和低廉的价格，在雷达、太空通信、医学应用等各个领域都有很多的用途，而现有技术中缺少可高效用于1μm波段的单光子探测器，阻碍了该激光器技术在量子信息领域中的应用。因此，在量子信息领域中，在用于1μm波段的单光子探测器上仍然存在改进的需求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出了一种上转换单光子探测器结构，其不仅能够提供较低的噪声，并且具有改善的探测效率，同时结构简单，能够很好地适应量子信息技术中的应用环境。

根据本实用新型，上转换单光子探测器可以包括泵浦光源、保偏波分复用器、周期性极化铌酸锂波导、滤波模块、单光子计数模块及温度控制模块。其中，泵浦光源可以采用波长为1550nm的单频连续激光光源。保偏波分复用器可以通过保偏光纤分别接收泵浦光和信号光，并将泵浦光和信号光合束输出给周期性极化铌酸锂波导。周期性极化铌酸锂波导可以通过保偏光纤连接保偏波分复用器的输出端，用于将泵浦光和信号光的光子和频转换成可见光的光子。温度控制模块可以用于调节周期性极化铌酸锂波导的温度。单光子计数模块可以经滤波模块连接周期性极化铌酸锂波导的输出端，以对经和频转换的光子进行计数。

优选地，单光子计数模块可以为硅探测器，从而提供高的探测效率。

在本实用新型的一个方面，滤波模块可以包括物镜、二向色镜、体布拉格光栅及带通滤波片。其中，物镜可以包括两个，其中一个物镜可以设置在滤波模块的输入端以收集波导输出的和频光，另一个物镜可以设置在滤波模块的输出端以将经过滤的和频光输出至单光子计数模块。

在本实用新型的另一个方面，滤波模块可以是由带通滤波片集成而成的微型滤波模块。

优选地，周期性极化铌酸锂波导、微型滤波模块及单光子计数模块之间可以通过单模或者多模光纤进行连接，从而提供全光纤的探测器结构。

优选地，带通滤波片的中心波长可以为631nm，带宽为2.4nm。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的上转换单光子探测器的第一示例性实施例；以及

图2示出了根据本实用新型的上转换单光子探测器的第二示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图1示出了本实用新型的上转换单光子探测器的第一示例性实施例，其用于探测波长为1064nm的信号光。如图1所示，上转换单光子探测器可以包括泵浦光源、保偏波分复用器、周期性极化铌酸锂波导、滤波模块及单光子计数模块SPCM。

泵浦光源可以输出单频连续激光且输出波长大于1μm，例如为1.5-2.5μm，特别优选为1550nm。可选地，该泵浦光源可以为掺铒光纤激光器或掺铥光纤激光器。泵浦光源输出的泵浦激光通过保偏光纤进入波分复用器。

待测的单光子信号光同样通过保偏光纤进入波分复用器，并且与泵浦光合成一束从波分复用器中输出。从波分复用器输出的合束光经过保偏光纤进入周期性极化铌酸锂波导中。在该波导中，借助非线性和频转换过程，信号光的光子与泵浦光的光子转换为能量更高的可见光光子，即经上转换的和频光。为了满足波导中非线性转换过程的准相位匹配条件，达到最大转换效率，还可以设置温度控制模块，用以调节波导的温度。

由于在周期性极化铌酸锂波导输出的光中，除了和频光之外，还存在剩余的泵浦光、泵浦光的二次谐波光子、三次谐波光子以及拉曼噪声等杂散光，因此，在利用单光子计数模块对和频光进行测量之前，还需要设置窄带滤波模块来消除这些杂散光。如图1所示，在该实施例中，滤波模块可以包括两个物镜、二向色镜、带通滤波片、体布拉格光栅等光学元件。具体而言，波导的输出光首先由物镜收集，并且经过二向色镜、体布拉格光栅和带通滤波片进行滤波，最后再借助物镜将经滤波的光进行收集，并且输入单光子计数模块中进行高效探测。其中，二向色镜用于消除残余的泵浦光，体布拉格光栅用于抑制拉曼噪声，带通滤波片用于消除泵浦光造成的二次谐波光子、三次谐波光子以及进一步压低拉曼噪声。

单光子计数模块可以包括高品质的硅探测器，从而提供高的单光子探测效率，以及超低的噪声。

图2示出了本实用新型的上转换单光子探测器的第二示例性实施例，其与第一示例性实施例相比，仅在滤波模块和周期性极化铌酸锂波导的端口耦合方式方面存在不同。因此，出于简洁的考虑，本文中仅对不同之处进行详细的说明，与第一示例性实施例相同的内容不再赘述。

在该第二实施例中，滤波模块可以为微型滤波模块的形式，其由带通滤波片集成而成，同样用于高效滤除泵浦光本身、来自泵浦光的二次谐波及三次谐波光子和压低拉曼噪声。

优选地，在以集成的方式构建微型滤波模块时，可以特别采用中心波长为631nm、带宽为2.4nm的带通滤波片，经实验证明，借助这种特定参数的带通滤波片，可以非常高效地过滤和频光的上述噪声信号，从而使得探测器的噪声进一步减小。

在该实施例中，由于滤波模块为集成的滤波模块，因此周期性极化铌酸锂波导可以采用双端光纤耦合的方式，其中输入端可以连接保偏光纤，输出端可以连接单模或者多模光纤。借助这种设置，使得单光子探测器可以实现为全光纤结构，因而可以具有更好的系统稳定性。

在本实用新型所提出的上转换单光子探测器结构，由于采用了连续的长波泵浦光源和周期性极化铌酸锂波导，可以将1μm波段（尤其是1064nm波长）的信号光高效地经过非线性和频转换过程转换至硅探测器的最大响应波段，从而弥补了商用的硅探测器和铟镓砷/铟磷探测器的探测短板。同时，通过采用窄带滤波结构，可以实现超低噪声的上转换单光子探测器，而进一步借助集成滤波结构还可以实现探测器系统的全光纤化，从而提供高稳定性的上转换单光子探测器系统，极大促进了探测器在各种应用环境中的使用。