[發(fā)明專利]一種全光纖的偏振無(wú)關(guān)上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810362523.9
• 申請(qǐng)日: 2018-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN110388988A
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁君生;鄭名揚(yáng);謝秀平;張強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司;濟(jì)南量子技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G01J11/00
• 分類號(hào): G01J11/00
• 代理公司: 北京市中聯(lián)創(chuàng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11364
• 代理人: 李萌;范林林

本發(fā)明涉及全光纖的偏振無(wú)關(guān)上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，其中利用偏振分束單元將信號(hào)光分成兩個(gè)線偏振光，并且利用波分復(fù)用單元和頻率上轉(zhuǎn)換單元的結(jié)合或者借助由光波導(dǎo)元件與周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)集成形成的頻率上轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)光與泵浦光的上轉(zhuǎn)換過(guò)程，最后借助光纖合束單元實(shí)現(xiàn)和頻光的合束以用于單光子探測(cè)，借助這種組成使得能夠以全光纖的形式實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，同時(shí)使得探測(cè)器的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高且具有高的探測(cè)效率和低的功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子通信領(lǐng)域，更具體地涉及全光纖的偏振無(wú)關(guān)單光子探測(cè)器。

背景技術(shù)

量子保密通信，在國(guó)防、公共安全和經(jīng)濟(jì)生活中都有重大應(yīng)用意義，目前量子保密通信在實(shí)際應(yīng)用中還有許多技術(shù)瓶頸限制其發(fā)展，其中之一通信波段的單光子探測(cè)技術(shù)不完美，限制了量子通信的傳輸距離和成碼率，目前通信領(lǐng)域的單光子探測(cè)器主要有三類：超導(dǎo)探測(cè)器、銦鎵砷雪崩光電二極管單光子探測(cè)器和上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器。超導(dǎo)探測(cè)器需要工作在液氦溫度下，其體積龐大，成本高不利于大規(guī)模商用；銦鎵砷雪崩光電二極管單光子探測(cè)器由于其材料與工藝的不完美，其探測(cè)器效率只能達(dá)到10%左右，而且其暗計(jì)數(shù)比較高；上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器是基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)器件的頻率轉(zhuǎn)換型實(shí)用化單光子探測(cè)器，具有探測(cè)效率高（大于20%）、暗計(jì)數(shù)低和無(wú)需制冷劑等優(yōu)點(diǎn)。

上轉(zhuǎn)換探測(cè)器是利用非線性光學(xué)的和頻過(guò)程，利用鈮酸鋰波導(dǎo)進(jìn)行周期極化實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，將通信波段單光子上轉(zhuǎn)換成為可見(jiàn)光單光子，再利用硅雪崩二極管單光子探測(cè)器探測(cè)。硅雪崩二極管單光子探測(cè)器對(duì)可見(jiàn)光波段單光子信號(hào)具有探測(cè)效率高（70%）、暗計(jì)數(shù)低（<100 Hz）和后脈沖概率低等優(yōu)點(diǎn)，而通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換，高品質(zhì)的硅探測(cè)器就可以用于通信波段單光子探測(cè)。上轉(zhuǎn)換探測(cè)器具有不需制冷劑、可集成、量子效率高等優(yōu)勢(shì)。

圖1示出了一種已經(jīng)商用的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器的原理圖。如圖所示，泵浦光源輸出1.95um的單頻連續(xù)激光，信號(hào)光為近紅外的單光子源，均采用保偏光纖輸入或輸出。周期極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)需要進(jìn)行溫度控制，在滿足準(zhǔn)相位匹配條件下，信號(hào)光和泵浦光發(fā)生和頻作用后轉(zhuǎn)化成可見(jiàn)光波段的光信號(hào)，如此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外光信號(hào)到可見(jiàn)光波段的高效“搬運(yùn)”。可見(jiàn)光波段信號(hào)光再通過(guò)一系列的濾波器件濾除各種噪聲，然后接入硅探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。

現(xiàn)有上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器在實(shí)際使用中，對(duì)被探測(cè)的信號(hào)光要求非常嚴(yán)格，其要求信號(hào)光的輸入必須是垂直極化的線偏振光，偏振對(duì)比度大于20dB，且偏振狀態(tài)須保持不變。這是因?yàn)榛谥芷跇O化鈮酸鋰波導(dǎo)的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程是偏振相關(guān)的，非垂直線偏振光或者偏振狀態(tài)變化的信號(hào)光接入到該探測(cè)器系統(tǒng)中，會(huì)導(dǎo)致上轉(zhuǎn)換探測(cè)器探測(cè)效率降低且不可控。上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器對(duì)輸入信號(hào)光的偏振要求，在很大程度上限制了上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的使用范圍，不利于上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的大規(guī)模商用。

在現(xiàn)有技術(shù)中，為了克服信號(hào)光偏振態(tài)對(duì)上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器工作效率的影響，設(shè)計(jì)出了與偏振無(wú)關(guān)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的一種偏振無(wú)關(guān)上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中引入偏振分束器將信號(hào)光分成兩路偏振光，再利用兩塊PPLN波導(dǎo)、兩套濾波系統(tǒng)、兩個(gè)硅探測(cè)器對(duì)兩路偏振信號(hào)光分別探測(cè)。這種結(jié)構(gòu)由于需要兩套上轉(zhuǎn)換探測(cè)器組件，導(dǎo)致存在使用器件過(guò)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本過(guò)高等缺點(diǎn)。

針對(duì)圖2所示探測(cè)器結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中提出了另一種偏振無(wú)關(guān)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該探測(cè)器將具有更為簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和更高的探測(cè)效率。在圖3所示的改進(jìn)的偏振無(wú)關(guān)上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器中，其也是利用偏振分束器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行偏振分束，然后對(duì)其中一路的信號(hào)光做偏振調(diào)節(jié)使其與另一路偏振方向一致，再把兩路相同偏振態(tài)的信號(hào)光以及泵浦光利用空間光路合成一束，使用透鏡耦合進(jìn)鈮酸鋰波導(dǎo)中進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換，進(jìn)而完成單光子探測(cè)。然而，該方案完全基于自由空間光路，并且其兩路信號(hào)光的偏振光的合束是在進(jìn)入波導(dǎo)前端完成，系統(tǒng)搭建復(fù)雜并且穩(wěn)定性差，不適合產(chǎn)品化。

發(fā)明內(nèi)容