[發明專利]一種小型化的上轉換單光子探測器

在審

• 申請號: 202010785548.7
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN112013975A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 梁龍躍;鄭名揚;謝秀平;張強
• 申請（專利權）人: 濟南量子技術研究院
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 北京云嘉湃富知識產權代理有限公司 11678
• 代理人: 李思霖

本發明公開了一種小型化的上轉換單光子探測器，其包括泵浦光源、波分復用器、周期極化鈮酸鋰波導和光電二極管，其中，周期極化鈮酸鋰波導為在周期極化鈮酸鋰薄膜材料中的鈮酸鋰薄膜上形成的脊型波導，泵浦光源為分布式反饋激光器。借助鈮酸鋰薄膜波導和特殊的泵浦光源，可以在實現上轉換單光子探測器小型化的同時，獲得良好的探測效率。

技術領域

本發明涉及量子信息技術領域，尤其涉及基于周期極化鈮酸鋰薄膜波導實現的小型化的上轉換單光子探測器。

背景技術

上轉換單光子探測器是目前綜合性能最優的室溫單光子探測器，其核心是利用周期性極化鈮酸鋰(PPLN)波導的上轉換和頻效應，將通信波段的光子高效率地轉換到可見光波段，然后再利用高品質的硅雪崩光電二極管進行探測，充分利用了硅雪崩光電二極管高效率、低噪聲的優勢，其性能可滿足長距離量子密鑰分發的需求，而且適用于實際場景應用。

圖1示出了一種已經實現商業化應用的上轉換單光子探測器的原理圖。如圖1所示，1550nm信號光和1950nm泵浦光首先通過一個波分復用器進行合束，然后再經由保偏光纖耦合進入到周期極化鈮酸鋰波導中；周期極化鈮酸鋰波導通過一個熱電冷卻系統精確地控溫以滿足相位匹配條件，從而實現最高的非線性轉化效率；從波導出射端輸出的863.6nm和頻光經過一個集成的光纖濾波器濾波后，再利用硅雪崩光電二極管進行探測。

現有的商用上轉換單光子探測器采用的周期極化鈮酸鋰波導通過逆向質子交換法制備而成，其核殼折射率差異較小(Δn_e≈0.02

@1550nm)，波導的光學限域效應較弱，波導中光斑模式的尺寸較大，光強度較低，因此其相互作用強度較弱，非線性轉化效率較低。為了實現較高的轉化效率，就要求周期極化鈮酸鋰波導器件必須具備足夠長的相互作用長度以及足夠高的泵浦光功率。

在量子密鑰分發系統中已經商用的四通道上轉換單光子探測器如圖2所示，在這種探測器中，1950nm泵浦光源是以單頻連續保偏光纖激光器作為種子源，再經由摻銩光纖放大器放大產生的，而為了獲得足夠高的泵浦光功率，通常需要經過兩級光功率放大過程，以保證四路輸出光功率都能夠達到300mW左右；此外，在這種探測器中，泵浦激光器作為獨立模塊存在，還需要獨立的電控模塊和散熱模塊；而且，由于探測器四個通道的PPLN波導對泵浦光功率的需求有所偏差，因此還需要在探測器中設置可調節光衰減器來調節每個通道的泵浦光功率，從而優化四路探測通道的探測效率；另外，為了保證探測器四個通道的探測效率保持不變，還需要在探測器中設置功率控制與調節模塊以保證泵浦光的輸出功率穩定，以上因素導致1950nm泵浦光源的結構冗雜、體積龐大，無法實現上轉換單光子探測器的小型化。

發明內容

針對現有技術的局限性，本發明提出在上轉換單光子探測器中應用鈮酸鋰薄膜波導結構，以實現其小型化設計的基本構思。其中，針對特定的上轉換單光子探測器使用環境，對鈮酸鋰薄膜波導的物理結構(形狀及尺寸等)和制備工藝提出了創新性的設計方案，同時還在泵浦光源方面進行了優化設計，從而使得在獲得小型化的上轉換單光子探測器的同時，還能獲得良好的探測效率。

與逆向質子交換波導相比，基于鈮酸鋰單晶薄膜的脊型波導具有更強的光學限域效應，其歸一化轉化效率比逆向質子交換波導高約兩個數量級，因此泵浦光功率需求可以降低約兩個量級。在基于鈮酸鋰單晶薄膜脊型波導的上轉換單光子探測器中，1950nm的泵浦光源可以采用體積很小的分布式反饋激光器(必要時可以具有內置的半導體光放大器)代替，而不需要進行兩級功率放大，最終上轉換探測器體積可以減小至商用產品的約1/40。

具體而言，本發明涉及一種小型化的上轉換單光子探測器，其包括泵浦光源、周期極化鈮酸鋰波導和光電二極管，其特征在于：所述周期極化鈮酸鋰波導為在經周期極化的鈮酸鋰薄膜材料中的鈮酸鋰薄膜上形成的脊型波導；并且，所述泵浦光源為分布式反饋激光器。