[實用新型]用于波長為1064nm的信號光的上轉換單光子探測器

有效

• 申請號: 201720186485.7
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN206593764U
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 馬飛;鄭名揚;謝秀平;姚權;周飛
• 申請（專利權）人: 山東量子科學技術研究院有限公司;濟南量子技術研究院
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G01V8/10
• 代理公司: 北京市中聯創和知識產權代理有限公司11364
• 代理人: 王影

技術領域

本實用新型涉及量子信息領域，更具體地涉及單光子探測器。

背景技術

量子密碼利用量子測不準原理和未知量子態不可克隆定理，實現無條件安全的保密通信，在國防、公共安全和經濟活動中都有著非常重要的意義。相比于量子計算機和量子中繼器等研究分支，量子密碼是量子信息學中目前最接近實用化的分支。然而，量子密碼的實用化進程中仍然存在著技術瓶頸，其中之一就是通信波段單光子探測器的性能不完美，這就限制了量子密碼的傳輸距離和成碼率。

當前，國際上通用的單光子探測器主要有：硅雪崩二極管單光子探測器，銦鎵砷雪崩二極管單光子探測器，超導單光子探測器和上轉換單光子探測器。

硅雪崩二極管單光子探測器的探測波段為400nm至1000nm，具有探測效率高（70%@630nm），暗計數低（<100 Hz），后脈沖幾率小（<1%），死時間在納秒級別等優點，但由于硅本身1.12電子伏特的能帶隙造成其在1μm波段的探測效率只有2%左右。

銦鎵砷雪崩二極管單光子探測器的探測波段為1100-1700nm，重復頻率僅約10MHz，這大大限制了該探測器的計數率。近年來，隨著正弦門控和自差電路等新技術的出現，銦鎵砷/銦磷單光子探測器已經可以工作在GHz的重復頻率下，但是其10%的較低量子效率，約10kHz的暗計數，微秒級別的死時間和2%左右的后脈沖幾率也限制了其廣泛應用。銦鎵砷/銦磷單光子探測器的效率最高點通常設計在1.55μm，其在1μm波段探測效率只有5%左右。

超導單光子探測器具有暗計數低（100 Hz左右），時間分辨好（時間晃動60 ps）等優點，但商用超導探測器需要連續的液氦制冷才能維持有效工作，液氦制冷設備體積大、成本昂貴，這是其廣泛使用的瓶頸。

上轉換單光子探測器是通過非線性光學的和頻過程，利用實現準相位匹配的周期極化鈮酸鋰波導等非線性器件將近紅外單光子上轉換成為可見光，再通過硅雪崩二極管單光子探測器探測。通過頻率轉換，高品質的硅探測器就可以用于近紅外單光子的探測。

而在上述非線性和頻過程中，利用強泵浦光促使近紅外單光子高效上轉換的同時，也引入了大量的非線性噪聲，主要來源于三個方面：拉曼噪聲光子，強泵浦光產生的自發參量下轉換光子、二次諧波及三次諧波光子，以及光學晶體不完美引起其他參量過程產生的光子。隨著長波泵浦技術的發明以及相應的周期極化鈮酸鋰波導的研制成功，解決了波導非線性過程中引入高噪聲的問題，長波泵浦技術可以消除自發參量下轉換帶來的噪聲，同時也極大程度地減小了拉曼散射引入的噪聲，因此濾波光路主要考慮濾除源于強泵浦光的二次諧波、三次諧波光子及拉曼噪聲光子。

已知國內有科研小組利用周期性極化的鈮酸鋰晶體和1.55μm的脈沖泵浦光，將1μm波段上轉換到可見光波段，然后利用硅探測器進行探測，可以實現超低噪聲的1μm探測系統，但使用晶體以及脈沖光泵浦，探測器的整體探測效率也大幅度下降。

由于1μm波段的激光器借助其成熟的技術和低廉的價格，在雷達、太空通信、醫學應用等各個領域都有很多的用途，而現有技術中缺少可高效用于1μm波段的單光子探測器，阻礙了該激光器技術在量子信息領域中的應用。因此，在量子信息領域中，在用于1μm波段的單光子探測器上仍然存在改進的需求。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本實用新型提出了一種上轉換單光子探測器結構，其不僅能夠提供較低的噪聲，并且具有改善的探測效率，同時結構簡單，能夠很好地適應量子信息技術中的應用環境。

根據本實用新型，上轉換單光子探測器可以包括泵浦光源、保偏波分復用器、周期性極化鈮酸鋰波導、濾波模塊、單光子計數模塊及溫度控制模塊。其中，泵浦光源可以采用波長為1550nm的單頻連續激光光源。保偏波分復用器可以通過保偏光纖分別接收泵浦光和信號光，并將泵浦光和信號光合束輸出給周期性極化鈮酸鋰波導。周期性極化鈮酸鋰波導可以通過保偏光纖連接保偏波分復用器的輸出端，用于將泵浦光和信號光的光子和頻轉換成可見光的光子。溫度控制模塊可以用于調節周期性極化鈮酸鋰波導的溫度。單光子計數模塊可以經濾波模塊連接周期性極化鈮酸鋰波導的輸出端，以對經和頻轉換的光子進行計數。

優選地，單光子計數模塊可以為硅探測器，從而提供高的探測效率。

在本實用新型的一個方面，濾波模塊可以包括物鏡、二向色鏡、體布拉格光柵及帶通濾波片。其中，物鏡可以包括兩個，其中一個物鏡可以設置在濾波模塊的輸入端以收集波導輸出的和頻光，另一個物鏡可以設置在濾波模塊的輸出端以將經過濾的和頻光輸出至單光子計數模塊。