CN106840420A - 一种红外单光子探测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种红外单光子探测设备。该设备包括：非线性光子晶体波导、滤波片及可见光单光子计数模块；其中，非线性光子晶体波导与滤波片集成在一个芯片上；非线性光子晶体波导，用于将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号；滤波片，用于过滤可见光单光子信号携带的噪声；可见光单光子计数模块，用于对过滤后的可见光单光子信号进行可见光单光子探测。通过本发明实施例提供的具有较小体积的设备来进行红外单光子探测，能够解决现有技术存在的实用性低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及极弱光探测技术领域，特别是涉及一种红外单光子探测设备。
背景技术
光子因为飞行速度快以及与环境耦合作用小而成为量子信息的最合适载体，因此，在量子光学级量子信息领域，迫切需要实现对单个光子的灵敏探测和操控。而单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的电流强度比光电探测器本身在室温下的热噪声水平(10-14W)还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
其中，红外单光子探测技术,既具有民事技术的普遍性,又有国防科技的特殊性，在光通信、光雷达、激光测距、激光制导、量子信息学、物质检测与分析等诸多实际应用中发挥着重要的作用。
红外单光子探测的原理在于，利用参量上转换将红外单光子信号转换为可见光单光子信号，再通过现有的可见光单光子探测技术，来探测转换后得到的可见光单光子信号。可以理解的是，经参量上转换后得到的可见光单光子与原红外单光子的量子态相同。其中，参量上转换是将低能量光子转换为高能量光子的过程，其实质是三波混频的非线性和频产生过程。
现有技术中，通常都是通过一个庞大的系统来实现上述提到的红外单光子探测，如图1所示，该系统一般包括非线性光子晶体、滤波器、硅单光子计数模块；其中，当两束频率分别为ω1和ω2的光同时通过非线性光子晶体(如PPLN，periodically poled lithiumniobate，周期性极化铌酸锂)时，在一定条件下会产生输出功率为ω1+ω2的光，这种现象称作和频效应，可以看出，基于非线性光子晶体的这种特性，能够实现红外单光子信号的参量上转换，通过泵浦光进行和频，将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号，然后由硅单光子计数模块进行探测。
实际应用中，图1所示的每个部分，一般都是一个独立的仪器，使得该系统体积庞大；此外，由于非线性光子晶体一般不能有效地聚集泵浦光能量，因此通常需要谐振腔来提高有效入射的泵浦光功率，而谐振腔也往往结构复杂，体积庞大，进一步增大了该系统的体积，导致难以批量制作，实用性低。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种红外单光子探测设备，以通过具有较小体积的设备来进行红外单光子探测，从而解决现有技术存在的实用性低的问题。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种红外单光子探测设备，所述设备包括：非线性光子晶体波导、滤波片及可见光单光子计数模块；其中，所述非线性光子晶体波导与所述滤波片集成在一个芯片上；
所述非线性光子晶体波导，用于将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号；
所述滤波片，用于过滤所述可见光单光子信号携带的噪声；
所述可见光单光子计数模块，用于对过滤后的所述可见光单光子信号进行可见光单光子探测。
可选地，所述非线性光子晶体波导为周期性极化铌酸锂波导。
可选地，所述可见光单光子计数模块为薄型硅基雪崩光电二极管。
可选地，所述芯片嵌入在眼镜结构中。
可选地，所述可见光单光子计数模块是可拆卸的。
可选地，所述可见光单光子计数模块是可关闭的。
本发明实施例提供的一种红外单光子探测设备，该设备包括：非线性光子晶体波导、滤波片及可见光单光子计数模块；其中，非线性光子晶体波导与滤波片集成在一个芯片上；非线性光子晶体波导，用于将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号；滤波片，用于过滤可见光单光子信号携带的噪声；可见光单光子计数模块，用于对过滤后的可见光单光子信号进行可见光单光子探测。
可以理解的是，非线性光子晶体波导一般体积比非线性光子晶体小，本发明实施例中，利用非线性光子晶体波导来代替非线性光子晶体，并将其与滤波片集成在一个芯片上，与现有的红外单光子探测系统相比，体积大大减小；此外，非线性光子波导可以更加有效的聚集泵浦光能量，不需要谐振腔，便能利用较少的泵浦光带来较高的转换效率，与现有技术红外单光子探测系统相比，体积进一步减小，可以进行批量制作，提高了实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中红外单光子探测系统示意图；
图2为本发明实施例提供的红外单光子探测设备的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术存在的实用性低的问题，本发明实施例提供了一种红外单光子探测设备，下面将进行详细介绍。
如图2所示，本发明实施例提供的一种红外单光子探测设备，包括：非线性光子晶体波导1、滤波片2及可见光单光子计数模块3。其中，非线性光子晶体波导1与滤波片2集成在一个芯片上；非线性光子晶体波导1，用于将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号；滤波片2，用于过滤可见光单光子信号携带的噪声；可见光单光子计数模块3，用于对过滤后的可见光单光子信号进行可见光单光子探测。
需要说明的是，泵浦光与红外单光子信号,在非线性光子晶体波导1中将产生和频效应，当泵浦光强达到一定要求时，就实现了单光子信号从红外到可见的全量子态转移，将红外单光子信号转换为可见光单光子信号，也就是红外单光子信号的参量上转换。其中，泵浦光并不特指某一频率的光，而是与红外单光子产生和频效应的一类光。
此外，可以理解的是，非线性光子晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体，而非线性光子晶体制成的波导即是非线性光子晶体波导。与非线性光子晶体相比，非线性光子晶体波导1可以更加有效的聚集泵浦光能量，因此，利用较低功率的泵浦光便能够完成较高效率的转换，而低功率的泵浦光不仅降低了对泵浦光源的要求，同时也减少了由于泵浦光所带来的非线性噪声。
其中，非线性光子晶体波导1可以为PPLN晶体波导，而PPLN晶体波导能对红外单光子信号实现99.9％的高效率参量上转换。当然，非线性光子晶体波导1并不局限于PPLN晶体波导。
可以理解的是，PPLN晶体波导，可以采用现有技术中的方法，经过如下几个步骤进行制作：
第一步，周期性极化。
首先，利用旋涂仪和光阻材料在PPLN晶圆+z表面产生光阻膜层并预烘烤，其中，光阻材料的类型和光阻膜层的厚度可以根据实际情况设定，在此不做限定；并将预烘烤后的PPLN晶圆+z表面，经过光刻机曝光产生光掩膜；再显影并洗去被曝光区域的光阻材料。其中，旋涂仪又称作匀胶机，用于在高速旋转的基片上，滴注各类胶液，并利用离心力使滴在基片上的胶液均匀地覆盖在基片上；PPLN晶圆，即是将PPLN晶体切割后得到的圆形晶体。
然后，使用烘箱烘烤已成型的光掩膜层，使其牢固地附着在PPLN晶圆上形成良好的绝缘膜。待PPLN晶圆缓慢冷却后，将PPLN晶圆装入极化工具，用高压电源及可编程波形发生器在PPLN晶圆正反两面施加场强约为21Kv/mm的脉冲电信号进行周期性极化。其中，PPLN晶圆正面，即+z面，为正压。完成极化后，即可用溶剂浸泡去除PPLN晶圆表面的光阻材料层，并清洁备用，此时得到的便是经过周期性极化的PPLN晶圆。
第二步，质子交换。
在对PPLN晶圆完成了周期性极化操作之后，可以在周期性极化后的PPLN晶圆上实现质子交换。
具体地，首先进行二氧化硅溅射，更具体地，在执行二氧化硅溅射操作前，先对PPLN晶圆进行清洁，再进行+z面二氧化硅溅射。
然后，利用旋涂仪和光阻材料在二氧化硅表面产生光阻膜层，并经过光刻机曝光产生光掩模，再显影并洗去被曝光区域的光阻材料，随后烘烤PPLN晶圆，以固化光刻胶，最后待PPLN晶圆冷却后，使用氢氟酸清除曝光区域的二氧化硅。其中，光阻材料的类型和烘烤温度可以根据实际情况设定，在此不做限定。
再在清除了曝光区域的二氧化硅后的PPLN晶圆表面涂上保护膜层，并按照预定尺寸，将PPLN晶圆划分为多个芯片，而后在每个芯片背面(-z面)的入射端刻上编号，并用切割机进行晶圆切割，获得预定尺寸的铌酸锂芯片。
最后，对获得的芯片进行质子交换。具体地，使用液态苯甲酸和温度均匀的质子交换炉进行质子交换。在质子交换完成后取出芯片，待冷却后用清水浸泡清洗，并利用光谱仪等设备测量样品，以估算实际质子交换深度。
第三步，热扩散和逆向质子交换。
将质子交换后的芯片和参照样品置于样品舟中，在300℃以上的加热炉中作热扩散(或称退火)；然后，用光谱仪等设备测量芯片和参照样品的质子浓度，估算逆向质子交换所需时间；再利用逆向质子交换炉完成逆向质子交换，获得PPLN晶体波导。其中，样品舟，一般是石英材质的，因此也可以叫石英舟，它是一种耐高温、耐腐蚀、耐高压的器皿，用来加热时盛放质子交换后的芯片和参照样品；参照样品为用作参照的标准样品。
最后对当前批次所产生的波导进行测量和筛选，并将预定指标最优的波导作为本发明实施例中的非线性光子晶体波导1。
需要强调的是，上述的非线性光子晶体波导1的制作工艺仅仅作为一种示例性说明，本发明实施例并不做限定。
另外，需要说明的是，在非线性光子晶体波导1的非线性和频过程中，泵浦光除了与信号光产生和频效应外，通过自身的二阶非线性效应还可以产生波长为975nm的二阶倍频光和波长为650nm的三阶倍频光，且这两个波段的光都可以被可见光单光子探测器响应，从而引入噪声，因此，可以根据滤波片的性能等因素，选用合适的滤波片来滤除可见光单光子信号中携带的噪声，消除这两种光带来的影响，提高单光子探测设备的探测效率。其中，探测效率为：当一个信号光光子耦合进入探测器，经过探测器上的半导体等材料吸收后，再经过增益，放大成宏观可观测的电流信号，最终记录得到一个电信号的几率。
在本发明实施例的一种具体实现方式中，滤波片2可以为多个，以增强噪声过滤效果。具体的，可以采用高效率的975nm短通滤波片和857nm带通滤波片，这两种滤波片分别能够阻挡波长为975nm和波长为650nm的光，其中，975nm短通滤波片和857nm带通滤波片，分别对波长为975nm和650nm的光的阻挡效果如下表所示：
| 滤波片 | 针对波长为975nm的光的OD | 针对波长为670nm的光的OD |
| 975nm短通滤波片 | >6 | |
| 857nm带通滤波片 | >6 | >5 |
其中，OD为：optical density，光密度,表示被检测物吸收掉的光密度,又叫通光率，反映了滤波片的滤波效果。
需要强调的是，非线性光子晶体波导1与滤波片2集成在一个芯片上，体积比较小，可以进行批量制作，实用性比较强。此外，集成的芯片还可以嵌入在眼镜结构中，具体地，可以镶嵌或者覆盖在镜片上，方便人眼对红外单光子的定性探测，直观地感应到红外光线的存在，从而拓展人类自身的视觉范围。
并且，可以理解的是，可见光单光子计数模块3，可将探测到的每一个可见光单光子，转换成一个TTL(transistor transistor logic，晶体管-晶体管逻辑电平)脉冲，从而进行计数；此外，可见光单光子计数模块3还有数字接口直接输出脉冲信号至电脑或者示波器，查看光谱图像和函数关系等。
需要说明的是，在本发明实施例的一种具体实现方式中，可以将非线性光子晶体波导1、滤波片2、可见光单光子计数模块3集成在一个芯片上，进一步缩小本发明实施例提供的红外单光子设备的体积。
具体地，可见光单光子计数模块3可以是可拆卸的或者可关闭的。当将非线性光子晶体波导1、滤波片2、可见光单光子计数模块3集成的芯片嵌入在眼镜结构中时，可见光单光子计数模块3正常运行时，可以利用可见光单光子计数模块3对红外单光子转换的可见光单光子信号进行定量地探测；可见光单光子计数模块3为关闭或者拆卸状态时，可以通过人眼对红外单光子转换的可见光单光子信号进行定性探测。此外，也可以制作两个芯片，一个集成非线性光子晶体波导1、滤波片2和可见光单光子计数模块3，一个仅集成非线性光子晶体波导1和滤波片2，将这两个芯片都嵌入到眼镜结构中，并通过预设开关控制具体使用哪个芯片，来实现不同方式的探测。
其中，考虑到对可见光的探测性能，可见光单光子计数模块3可以为硅单光子计数模块，其探测效率在可见光波段能够达到50％以上；具体地，可见光单光子计数模块3可以为硅单光子计数模块的核心部件：Si-APD(Si Avalanche Photo Diode，硅雪崩光电二极管)，更具体地，为减小设备体积，可见光单光子计数模块3可以为薄型Si-APD。
在实际制作Si-APD过程中，可以在薄型Si-APD结构的基础上，采用外延生长、双面刻蚀、集成微透镜及高速倒装贴片等工艺，分别在芯片结构、驱动电路、器件封装及功能测试等方面进行改进和完善，进一步提高薄型Si-APD的探测效率。
需要说明的是，在进行Si-APD的设计时，可以从提高探测效率、降低暗计数率、提高重复频率等角度出发，来提升Si-APD的整体性能。其中，暗计数指的是当外界没有任何信号光输入，且避免所有的环境引起的杂散光的情况下，探测器由于自身材料或者电路等存在的缺陷而产生的电信号，即探测器在没有光入射情况下自发产生和光子响应完全无法区分的计数；重复频率指的是探测器产生的脉冲的持续时间的倒数，而脉冲的持续时间是指两个相邻脉冲之间的时间间隔。
具体地，可以参照下表所示的各性能与设计或工艺参数的关系，来进行Si-APD的设计：
可以理解的是，在结构上，采用薄型Si-APD设计，减少耗尽层厚度，可以降低Si-APD的耗散功率，如此，既降低了Si-APD的尺寸，又避免了耗散功率带来的温度上升，更利于进行Si-APD的集成化；通过增加结构光敏面的尺寸和吸收区厚度可以提高Si-APD的探测效率；通过调节Si-APD内部的电场强度，具体地，提高倍增区的电场强度，降低吸收区电场强度，可以达到电荷区的最优设计，加强倍增区的雪崩效率，从而使得Si-APD具有更高的灵敏度。
在器件封装过程中，可以对Si-APD使用入光耦合、热设计、高频封装等技术；并通过提高AR(Anti-reflective，抗反射)增透率，增加耦合效率等方式，以及集成微透镜等工艺，提高器件探测效率。
在Si-APD的驱动电路设计过程中，可以通过同步电路设计、减小时间抖动等方式来提高探测效率。进一步，可以采用FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的主动猝灭、优化壳体与芯片电极分布参数调整，来实现信号线阻抗匹配与电源滤波，提升器件的重复频率，降低后脉冲率。
可以理解的是，非线性光子晶体波导一般体积比非线性光子晶体小，图2所示发明实施例中，利用非线性光子晶体波导来代替非线性光子晶体，并将其与滤波片集成在一个芯片上，与现有的红外单光子探测系统相比，体积大大减小；此外，非线性光子波导可以更加有效的聚集泵浦光能量，不需要谐振腔，便能利用较少的泵浦光带来较高的转换效率，与现有技术红外单光子探测系统相比，体积进一步减小，可以进行批量制作，提高了实用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种红外单光子探测设备，其特征在于，所述设备包括：非线性光子晶体波导、滤波片及可见光单光子计数模块；其中，所述非线性光子晶体波导与所述滤波片集成在一个芯片上；
所述非线性光子晶体波导，用于将红外单光子信号上转换为可见光单光子信号；
所述滤波片，用于过滤所述可见光单光子信号携带的噪声；
所述可见光单光子计数模块，用于对过滤后的所述可见光单光子信号进行可见光单光子探测。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述非线性光子晶体波导为周期性极化铌酸锂波导。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可见光单光子计数模块为薄型硅基雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1至3任一项所述的设备，其特征在于，所述芯片嵌入在眼镜结构中。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述可见光单光子计数模块是可拆卸的。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述可见光单光子计数模块是可关闭的。
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