基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器的制作方法

本发明涉及光电探测，特别涉及一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、近年来，在量子信息与量子计算快速发展的推动下，单光子探测技术得到飞速发展。可见光波段和近红外波段的单光子探测器在效率、噪声、时间抖动等性能方面均得到了快速发展，主要包括硅基雪崩电离二极管、铟镓砷雪崩电离二极管、超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器等。随着单光子探测器性能的快速提升，其应用领域也得到了极大拓展，如在量子精密测量和量子成像等领域也发挥了巨大的应用价值。

3、中红外辐射被定义为波长处于2.5μm-25μm或波数为400cm-1-4000cm-1的电磁波。在中红外波段，由于更长的波长带来的大气通信窗口，使其在自由空间通信和遥感领域具有潜在应用价值。在深空探测方面，中红外波段的高灵敏度探测具有重要应用价值，中红外波段集中了大量气体分子的吸收线，如co2，ch4等，高灵敏度的温室气体和有机气体吸收探测能够为环境监测及未来碳中和的发展提供巨大帮助。

4、中红外波段单光子探测器件研发目前有基于hgcdte材料的光电二极管和基于mosi的超导纳米线单光子探测器。国际上，美国航空航天局(nasa)在hgcdte的光子探测器件研发上做了诸多相关工作，并研究了其单光子探测性能。国内，南京大学研发的基于mo80si20材料的超导纳米线单光子探测器可在中红外波段实现单光子探测。国际上也出现了基于频率转换方式实现的中红外波段单光子探测器，并在原理上验证了可行性。

5、目前基于hgcdte材料的光电二极管的单光子探测器，由于hgcdte材料本身存在诸多局限性，造成探测器存在饱和计数率低、暗计数高和时间抖动大等问题；基于超导纳米线单光子探测器，虽然具有极低的暗计数，但超低温工作温度需求极大的限制其应用价值；而基于频率转换方式实现的中红外波段单光子探测器，虽然在原理性上得到了实验验证，但由于其自由空间的波导设计、波导制程设计、噪声滤除设计等方面的不完美，该探测器探测效率低下(0.4％)，难以在实际场景中应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，将中红外的单光子和频转换至短波红外波段，再采用成熟的短波红外单光子探测器进行检测，实现了全光纤单光子探测，极大的提高了实际应用价值，摆脱了低温限制，实现了室温单光子探测，实现了饱和计数率高、暗计数小、后脉冲概率小的单光子探测。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种铌酸锂脊型波导。

4、一种铌酸锂脊型波导，包括：铌酸锂脊型波导本体、用于与中红外波段单模氟化物光纤耦合的入射端以及用于与多模光纤耦合的出射端；

5、其中，铌酸锂脊型波导本体和频过程的转换效率根据归一化转换效率、泵浦光功率和波导非线性长度得到，归一化转换效率的计算中采用经过周期调制的非线性系数。

6、进一步的，归一化转换效率ηnor为：与n1n2n3ε0c3seff的比值，其中，ω1为信号光的频率，ω3为和频光的频率，n1为信号光折射率，n2为泵浦光折射率，n3为和频光折射率，ε0为真空中介电常数，c为真空光速，seff为光场的有效作用面积，deff为经过周期调制的非线性系数。

7、进一步的，经过周期调制的非线性系数deff为2d0|sin(mπδ)|与mπ的比值，其中，d0为铌酸锂非线性系数，m为准相位匹配的阶数，δ为占空比。

8、更进一步的，当为一阶准相位匹配时，占空比为50％，得到最大的经过周期调制的非线性系数为2d0/π。

9、进一步的，铌酸锂脊型波导本体和频过程的转换效率ηsfg为其中，ηnor为归一化转换效率，p2为泵浦光功率，l为波导非线性长度。

10、进一步的，和频过程中，通过设定的极化周期，利用准相位匹配，周期性的反转晶体铁电畴自发极化的方向，每隔一个相干长度，改变非线性系数的符号，以使得非线性系数呈现+d0和-d0之间的交替变化，其中，d0为铌酸锂非线性系数。

11、更进一步的，准相位匹配为：n1/λ1+n2/λ2-n3/λ3＝1/a，其中，n1为信号光在波导的折射率，λ1为信号光波长，n2为泵浦光在波导的折射率，λ2为泵浦光波长，n3为和频光在波导的折射率，λ3为和频光波长，λ为极化周期长度。

12、本发明第二方面提供了一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器。

13、一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，信号光依次经过可调节衰减器、分束器和第一偏振控制器形成的中红外波段的单光子源进入波分复用器；

14、泵浦光经过第二偏振控制器后进入波分复用器与中红外波段的单光子源融合后进入本发明第一方面所述的铌酸锂脊型波导；

15、铌酸锂脊型波导的输出光经过多模光纤和窄带光纤滤波器后进入硅雪崩光电二极管。

16、进一步的，分束器的第一输出端的输出输入到功率计中，分束器第二输出端的输出输入到第一偏振控制器中。

17、进一步的，采用外腔半导体激光器作为泵浦光的种子源，使用掺铒光纤放大器进行种子源的放大。

18、进一步的，窄带光纤滤波器为半高宽为0.1nm的窄带光纤滤波器。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明将中红外的单光子和频转换至短波红外波段，再采用成熟的短波红外单光子探测器进行检测，实现了全光纤单光子探测，极大的提高了实际应用价值，摆脱了低温限制，实现了室温单光子探测，实现了饱和计数率高、暗计数小、后脉冲概率小的单光子探测。

21、2、本发明利用周期极化铌酸锂脊型波导的非线性和频效应，将中红外波段信号光高效率地转换到近可见光波段，然后再使用窄带滤波器进行噪声滤除，最后利用高品质的硅雪崩光电二极管进行探测的上转换单光子探测器技术，充分利用了硅雪崩光电二极管高效率、低噪声的优势，最终获得了高效低噪的单光子探测效果。

22、3、本发明创新的提出了一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段全光纤上转换单光子探测器，周期极化铌酸锂脊型波导通过光纤耦合，结合波分复用器，实现了全光纤单光子探测；对铌酸锂脊型波导进行了优化设计，实现了波导与光纤较高的耦合效率，实现了波导内部更高的转换效率以及所需更低的泵浦光功率，达到了高效低噪的效果。

技术特征：

1.一种铌酸锂脊型波导，其特征在于：

2.如权利要求1所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

3.如权利要求1或2所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

4.如权利要求3所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

5.如权利要求1所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

6.如权利要求1所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

7.如权利要求6所述的铌酸锂脊型波导，其特征在于：

8.一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，其特征在于：

9.如权利要求8所述的基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，其特征在于：

10.如权利要求8所述的基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，其特征在于：

技术总结
本发明提供了一种基于铌酸锂脊型波导中红外波段的上转换单光子探测器，信号光依次经过可调节衰减器、分束器和第一偏振控制器形成的中红外波段的单光子源进入波分复用器；泵浦光经过第二偏振控制器后进入波分复用器与中红外波段的单光子源融合后进入铌酸锂脊型波导，铌酸锂脊型波导的输出光经过多模光纤和窄带光纤滤波器后进入硅雪崩光电二极管；铌酸锂脊型波导和频过程的转换效率根据归一化转换效率、泵浦光功率和波导非线性长度得到，归一化转换效率的计算中采用经过周期调制的非线性系数。本发明实现了全光纤单光子探测，实现了室温单光子探测，实现了饱和计数率高、暗计数小、后脉冲概率小的单光子探测。

技术研发人员：杨继乾,蔺际超,汪斌,高洋,王栋,姚权,郑名扬,谢秀平
受保护的技术使用者：济南量子技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15