专利名称：高灵敏度上转换单光子探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单光子探测系统，尤其是一种高灵敏度上转换单光子探测系统。
背景技术：
单光子探测器是进行超弱光探测的主要工具，在众多领域中有着广泛的应用。通信波段的单光子探测器更是量子通信、量子密码、光纤时域反射仪等领域的核心器件，常用的通信波段单光子探测器有超导探测器、铟镓砷雪崩二极管单光子探测器和上转换探测器三种。超导探测器具有噪声低的优点，然而它需要体积庞大、操作繁琐且价格昂贵的超低温冷却系统，难以在实际应用中使用，此外，商用超导探测器的探测效率偏低，也限制了其应用。商用的铟镓砷雪崩二极管单光子探测器具有体积小、成本低、可集成等优势，然而它同样具有探测效率偏低的缺点，同时，它显著的后脉冲效应也带来了高噪声，使得其应用大打折扣。上转换探测器利用非线性波导将通信波段光频率改变，上转换成为可见光，并使用硅雪崩二极管单光子探测器探测，它具有探测效率高，室温工作等优势，其缺点是在非线性频率转换过程中低频泵浦激光产生的拉曼噪声过高，这严重限制了探测器及应用系统的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够严格抑制上转换探测器拉曼散射影响的高灵敏度上转换单光子探测系统。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案一种高灵敏度上转换单光子探测系统，包括用于接收激光器所发射泵浦激光的可调衰减器，可调衰减器的输出端与分束器的输入端相连，分束器的输出端分别与功率计、用于接收待耦合信号光的波分复用器相连， 波分复用器的输出端与非线性波导的输入端相连，单光子探测器位于非线性波导的输出端。由上述技术方案可知，本发明中的泵浦激光通过波分复用，与信号光进入非线性波导，非线性波导能够在很大程度上消除拉曼噪声。在非线性波导中，信号光会上转换成为可见光，上转换的可见光光子，将被收集到单光子探测器，进行探测。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施例方式一种高灵敏度上转换单光子探测系统，包括用于接收激光器所发射泵浦激光的可调衰减器3，可调衰减器3的输出端与分束器4的输入端相连，分束器4的输出端分别与功率计1、用于接收待耦合信号光的波分复用器5相连，波分复用器5的输出端与非线性波导的输入端相连，单光子探测器位于非线性波导的输出端，如图1所示。可调衰减器3调节输入到非线性波导的功率，从而可以调节上转换探测器的探测效率和噪声。如图1所示，所述的激光器为掺铥或掺钬光纤激光器，掺铥或掺钬光纤激光器所发射的泵浦激光的波长为1. 9 μ m 2. 1 μ m，所述的单光子探测器为硅雪崩二极管单光子探测器11。所述的非线性波导为周期极化铌酸锂波导2，可调衰减器3的输出端通过光纤与分束器4的输入端相连，分束器4的输出端通过光纤分别与功率计1、波分复用器5相连， 波分复用器5的输出端通过光纤与周期极化铌酸锂波导2的光纤接头相连。周期极化铌酸锂波导2的制作过程是，首先在铌酸锂样品上用光刻蚀定义周期序列，然后通过高电压形成周期极化，再用光刻蚀的方法定义波导模型，然后将其浸入铌酸，波导中的锂离子跟铌酸中的质子进行了置换，置换过的样品折射率高于没有置换的样品，形成周期极化铌酸锂波导2，周期极化铌酸锂波2中只会传播TM模式光波，所以上转换探测器是极化敏感型探测器。所述的分束器4为99:1分束器，其99%的输出功率连接到波分复用器5，最后进入周期极化铌酸锂波导2作为泵浦光，其1%的输出功率连接到功率计1，从而监控进入周期极化铌酸锂波导2的泵浦功率。如图1所示，所述的周期极化铌酸锂波导2的输出端依次设置第一显微物镜6、滤波装置、第二显微物镜10和硅雪崩二极管单光子探测器11，硅雪崩二极管单光子探测器11 放置在三维调整台上，在三个维度上调节硅雪崩二极管单光子探测器11，从而得到最大的探测效率。所述的周期极化铌酸锂波导2放置在半导体温控器内，半导体温控器上贴附有热电偶和致冷模块，热电偶的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端与致冷模块相连，热电偶用于检测温度，并将检测到的温度信号发送至控制器，由控制器输出控制信号至致冷模块，调节温度的高/低。周期极化铌酸锂波导2的温度由半导体温控器控制，半导体温控器的控温精度可达+/_ 0.2度。在固定温度下，上转换探测器的光谱带宽与周期极化铌酸锂波导2的长度成反比，而随着周期极化铌酸锂波导2的温度变化，光谱中心将发生移动。如图1所示，所述的滤波装置由低通滤波片7、高透过率相干滤波片8和光阑9组成，低通滤波片7、高透过率相干滤波片8、光阑9依次放置在第一显微物镜6和第二显微物镜10之间。所述的周期极化铌酸锂波导2、第一显微物镜6、低通滤波片7、高透过率相干滤波片8、光阑9、第二显微物镜10和硅雪崩二极管单光子探测器11位于同一中心水平轴线上。第一显微物镜6用于对周期极化铌酸锂波导2发出的光进行准直，低通滤波片7用于消除泵浦光二阶谐波带来的噪声，高透过率相干滤波片8用于消除泵浦光带来的拉曼噪声，光阑9用于去除杂散光，第二显微物镜10用于将上转换光收集到硅雪崩二极管单光子探测器11。本发明中的泵浦激光通过波分复用，与信号光进入周期极化铌酸锂波导2，周期极化铌酸锂波导2能够在很大程度上消除拉曼噪声。在周期极化铌酸锂波导2中，信号光会上转换成为可见光，上转换的可见光光子，将被收集到硅雪崩二极管单光子探测器11进行探测。此外，高透过率相干滤波片8也能够进一步消除泵浦光带来的拉曼噪声。
权利要求
1.一种高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于包括用于接收激光器所发射泵浦激光的可调衰减器(3)，可调衰减器(3)的输出端与分束器(4)的输入端相连，分束器(4) 的输出端分别与功率计(1)、用于接收待耦合信号光的波分复用器(5)相连，波分复用器 (5)的输出端与非线性波导的输入端相连，单光子探测器位于非线性波导的输出端。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于所述的激光器为掺铥或掺钬光纤激光器，掺铥或掺钬光纤激光器所发射的泵浦激光的波长为 1. 9 μ m 2. 1 μ m，所述的单光子探测器为硅雪崩二极管单光子探测器(11 )，所述的分束器 (4)为99:1分束器，所述的非线性波导为周期极化铌酸锂波导(2)，可调衰减器(3)的输出端通过光纤与分束器(4)的输入端相连，分束器(4)的输出端通过光纤分别与功率计(1)、 波分复用器(5)相连，波分复用器(5)的输出端通过光纤与周期极化铌酸锂波导(2)的光纤接头相连。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于所述的周期极化铌酸锂波导(2)的输出端依次设置第一显微物镜(6)、滤波装置、第二显微物镜(10)和硅雪崩二极管单光子探测器(11)，硅雪崩二极管单光子探测器(11)放置在三维调整台上。
4.根据权利要求2所述的高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于所述的周期极化铌酸锂波导(2 )放置在半导体温控器内，半导体温控器上贴附有热电偶和致冷模块，热电偶的输出端与控制器的信号输入端相连，控制器的信号输出端与致冷模块相连。
5.根据权利要求3所述的高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于所述的滤波装置由低通滤波片(7)、高透过率相干滤波片(8)和光阑(9)组成，低通滤波片(7)、高透过率相干滤波片(8)、光阑(9)依次放置在第一显微物镜(6)和第二显微物镜(10)之间。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度上转换单光子探测系统，其特征在于所述的周期极化铌酸锂波导(2)、第一显微物镜(6)、低通滤波片(7)、高透过率相干滤波片(8)、光阑 (9)、第二显微物镜(10)和硅雪崩二极管单光子探测器(11)位于同一中心水平轴线上。
全文摘要
本发明涉及一种高灵敏度上转换单光子探测系统，包括用于接收激光器所发射泵浦激光的可调衰减器，可调衰减器的输出端与分束器的输入端相连，分束器的输出端分别与功率计、用于接收待耦合信号光的波分复用器相连，波分复用器的输出端与非线性波导的输入端相连，单光子探测器位于非线性波导的输出端。本发明中的泵浦激光通过波分复用，与信号光进入非线性波导，非线性波导能够在很大程度上消除拉曼噪声。在非线性波导中，信号光会上转换成为可见光，上转换的可见光光子，将被收集到单光子探测器，进行探测。
文档编号G01J11/00GK102243107SQ20111009895
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者张强 申请人:张强