CN110388988A - 一种全光纤的偏振无关上转换单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全光纤的偏振无关上转换单光子探测器，其中利用偏振分束单元将信号光分成两个线偏振光，并且利用波分复用单元和频率上转换单元的结合或者借助由光波导元件与周期极化铌酸锂波导集成形成的频率上转换模块实现信号光与泵浦光的上转换过程，最后借助光纤合束单元实现和频光的合束以用于单光子探测，借助这种组成使得能够以全光纤的形式实现偏振无关的上转换单光子探测器，同时使得探测器的光路结构简单、稳定性高且具有高的探测效率和低的功耗。

Description

一种全光纤的偏振无关上转换单光子探测器

技术领域

本发明涉及量子通信领域，更具体地涉及全光纤的偏振无关单光子探测器。

背景技术

量子保密通信，在国防、公共安全和经济生活中都有重大应用意义，目前量子保密通信在实际应用中还有许多技术瓶颈限制其发展，其中之一通信波段的单光子探测技术不完美，限制了量子通信的传输距离和成码率，目前通信领域的单光子探测器主要有三类：超导探测器、铟镓砷雪崩光电二极管单光子探测器和上转换单光子探测器。超导探测器需要工作在液氦温度下，其体积庞大，成本高不利于大规模商用；铟镓砷雪崩光电二极管单光子探测器由于其材料与工艺的不完美，其探测器效率只能达到10%左右，而且其暗计数比较高；上转换单光子探测器是基于周期极化铌酸锂波导器件的频率转换型实用化单光子探测器，具有探测效率高（大于20%）、暗计数低和无需制冷剂等优点。

上转换探测器是利用非线性光学的和频过程，利用铌酸锂波导进行周期极化实现准相位匹配，将通信波段单光子上转换成为可见光单光子，再利用硅雪崩二极管单光子探测器探测。硅雪崩二极管单光子探测器对可见光波段单光子信号具有探测效率高（70%）、暗计数低（<100 Hz）和后脉冲概率低等优点，而通过频率转换，高品质的硅探测器就可以用于通信波段单光子探测。上转换探测器具有不需制冷剂、可集成、量子效率高等优势。

图1示出了一种已经商用的上转换单光子探测器的原理图。如图所示，泵浦光源输出1.95um的单频连续激光，信号光为近红外的单光子源，均采用保偏光纤输入或输出。周期极化铌酸锂（PPLN）波导需要进行温度控制，在满足准相位匹配条件下，信号光和泵浦光发生和频作用后转化成可见光波段的光信号，如此可以实现对近红外光信号到可见光波段的高效“搬运”。可见光波段信号光再通过一系列的滤波器件滤除各种噪声，然后接入硅探测器进行探测。

现有上转换单光子探测器在实际使用中，对被探测的信号光要求非常严格，其要求信号光的输入必须是垂直极化的线偏振光，偏振对比度大于20dB，且偏振状态须保持不变。这是因为基于周期极化铌酸锂波导的频率转换过程是偏振相关的，非垂直线偏振光或者偏振状态变化的信号光接入到该探测器系统中，会导致上转换探测器探测效率降低且不可控。上转换单光子探测器对输入信号光的偏振要求，在很大程度上限制了上转换探测器的使用范围，不利于上转换探测器的大规模商用。

在现有技术中，为了克服信号光偏振态对上转换单光子探测器工作效率的影响，设计出了与偏振无关的上转换单光子探测器结构。

图2示出了现有技术中的一种偏振无关上转换单光子探测器结构，其中引入偏振分束器将信号光分成两路偏振光，再利用两块PPLN波导、两套滤波系统、两个硅探测器对两路偏振信号光分别探测。这种结构由于需要两套上转换探测器组件，导致存在使用器件过多、结构复杂和成本过高等缺点。

针对图2所示探测器结构存在的问题，现有技术中提出了另一种偏振无关的上转换单光子探测器结构，如图3所示，该探测器将具有更为简化的结构和更高的探测效率。在图3所示的改进的偏振无关上转换单光子探测器中，其也是利用偏振分束器对信号光进行偏振分束，然后对其中一路的信号光做偏振调节使其与另一路偏振方向一致，再把两路相同偏振态的信号光以及泵浦光利用空间光路合成一束，使用透镜耦合进铌酸锂波导中进行频率上转换，进而完成单光子探测。然而，该方案完全基于自由空间光路，并且其两路信号光的偏振光的合束是在进入波导前端完成，系统搭建复杂并且稳定性差，不适合产品化。

发明内容

针对现有技术中存在的稳定性差、结构复杂、成本高等问题，本发明的一个方面公开了一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器，其可以包括泵浦光源、分束单元、波分复用单元、频率上转换单元、光纤合束单元和探测单元。其中，所述分束单元用于使信号光分出第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一和第二线偏振光具有不同的偏振方向；所述泵浦光源用于提供泵浦光，其具有与所述信号光不同的频率；所述波分复用单元用于使所述第一线偏振光和所述第二线偏振光分别与所述泵浦光合束，以形成第一合束光和第二合束光；所述频率上转换单元用于使所述第一合束光中的所述第一线偏振光和泵浦光以及所述第二合束光中的所述第二线偏振光和泵浦光分别完成频率上转换，从而形成第一和频光和第二和频光；所述光纤合束单元用于使所述第一和频光和所述第二和频光进行合束，以形成第三合束光；所述探测单元用于对所述第三合束光进行单光子探测；以及所述泵浦光源、所述分束单元、所述波分复用单元、所述频率上转换单元、所述光纤合束单元和所述探测单元之间的光路连接通过光纤实现。

优选地，所述分束单元可以采用偏振分束器。

优选地，所述波分复用单元可以包括两个波分复用器。

优选地，所述频率上转换单元可以为双通道周期极化铌酸锂波导。

优选地，所述光纤合束单元可以为多模光纤合束器。

优选地，本发明的探测器还可以包括滤波器，其用于对和频光进行滤波处理。本领域技术人员容易理解，此处的和频光既可以是第一和频光和/或第二和频光，也可以是第一和频光和第二和频光合束形成的第三合束光。

本发明的另一方面也公开了一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器，其可以包括泵浦光源、分束单元、频率上转换模块、光纤合束单元和探测单元。其中，所述分束单元用于使信号光分出第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一和第二线偏振光具有不同的偏振方向；所述泵浦光源用于提供泵浦光，其具有与所述信号光不同的频率；所述频率上转换模块具有四个输入端口和两个输出端口，其中所述四个输入端口分别接收所述第一线偏振光、所述第二线偏振光和两路所述泵浦光，且所述频率上转换模块被设置成使所述第一线偏振光与所述泵浦光的一路完成频率上转换过程以形成第一和频光，以及使所述第二线偏振光与所述泵浦光的另一路完成频率上转换过程以形成第二和频光；所述光纤合束单元用于使所述第一和频光和所述第二和频光进行合束，以形成合束光；所述探测单元用于对所述合束光进行单光子探测；以及所述泵浦光源、所述分束单元、所述频率上转换模块、所述光纤合束单元和所述探测单元之间的光路连接通过光纤实现。

优选地，所述频率上转换模块可以包括模式过滤器、第一锥形波导、方向耦合器、第二锥形波导和双通道周期极化铌酸锂波导。进一步地，所述频率上转换模块还可以包括弯波导。

优选地，所述分束单元可以采用偏振分束器。

优选地，所述光纤合束单元可以为多模光纤合束器。

优选地，本发明的探测器还可以包括滤波器，其用于对和频光进行滤波处理。同样地，此处的和频光既可以是第一和频光和/或第二和频光，也可以是第一和频光和第二和频光合束形成的合束光。

附图说明

图1示出了现有技术的一种上转换单光子探测器；

图2示出了现有技术的一种偏振无关的上转换单光子探测器；

图3示出了现有技术的另一种偏振无关的上转换单光子探测器；

图4示出了本发明的全光纤偏振无关上转换单光子探测器的一种示例性实施例；以及

图5示出了本发明的全光纤偏振无关上转换单光子探测器的另一优选实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

图4示出了根据本发明的全光纤偏振无关上转换单光子探测器的一种示例性实施例。如图所示，该单光子探测器1包括泵浦光源、分束单元11、波分复用单元12、频率上转换单元13、光纤合束单元14和探测单元15。

本领域技术人员知晓，信号光可以例如为近红外的单光子源。

分束单元11用于使信号光分出第一线偏振光和第二线偏振光，其中，第一和第二线偏振光具有相互垂直的偏振方向，例如可以分别为垂直偏振光和水平偏振光。作为一个优选示例，分束单元11可以由偏振分束器（PBS）来实现，但不限于此。

泵浦光源提供泵浦光，其具有与信号光不同的频率以与信号光实现频率的上转换。作为一个优选示例，泵浦光源可以是波长为1.95μm的连续激光器。

波分复用单元12用于使第一线偏振光和第二线偏振光分别与泵浦光合束，以相应形成第一合束光和第二合束光。作为一个优选示例，波分复用单元12可以包括第一和第二波分复用器（WDM），以分别用于使第一线偏振光和第二线偏振光与各自的泵浦光形成第一和第二合束光。

频率上转换单元13用于使第一合束光中的第一线偏振信号光与其泵浦光和第二合束光中的第二线偏振信号光与其泵浦光分别完成频率的上转换，从而形成具有更高频率的第一和频光和第二和频光。作为一个优选示例，频率上转换单元13可以为双通道周期极化铌酸锂波导（PPLN WG）。

光纤合束单元14用于使第一和频光与第二和频光进行合束，以沿同一传输路径行进。作为一个优选示例，光纤合束单元14可以采用多模光纤合束器（MMFC）。

探测单元15用于对包括第一和频光和第二和频光的合束光进行单光子探测，从而提供有关信号光的探测结果。作为一个优选示例，探测单元15可以为高效率的硅单光子探测器。

至此，本领域技术人员容易理解，在该单光子探测器1中，由于是借助上述功能单元11-14来实现信号光的上转换过程，因此使得能够方便地通过光纤来实现探测器1中各功能单元之间的光路连接，从而形成一种全光纤的单光子探测器。作为一个优选示例，如图4所示，在探测器1中，信号光可以通过单模光纤（SMF）连接分束单元11；泵浦光源可以通过保偏光纤（PMF）连接波分复用单元12；分束单元11、波分复用单元12和频率上转换单元13之间可以通过保偏光纤来实现连接光路；并且，频率上转换单元13、光纤合束单元14和探测单元15之间可以通过多模光纤（MMF）来提供连接光路。

为了更好地理解本发明的偏振无关上转换单光子探测器，下面将结合图4来详细阐明探测器1的工作原理。

如图所示，信号光经单模光纤输入偏振分束器11后分成两束相互垂直的线偏振光，例如水平偏振的第一线偏振光（如图4中的双箭头线所示）和垂直偏振的第二线偏振光（如图4中的圆点线所示），第一和第二线偏振光随后沿着保偏光纤的慢轴向波分复用单元12传输。泵浦光源输出两路波长为1.95um的单频连续激光作为泵浦光使用，两路泵浦光通过保偏光纤分别朝向波分复用单元12中的两个波分复用器传输。在波分复用器中，线偏振信号光中的一路与泵浦光中的一路形成一路合束光，线偏振信号光中的另一路与泵浦光中的另一路形成另一路合束光。两路合束光中的一路通过保偏光纤进入双通道周期极化铌酸锂波导13的一个通道并完成频率的上转换过程，另一路合束光同样通过保偏光纤进入双通道周期极化铌酸锂波导13的另一个通道并完成频率的上转换过程，从而形成两路经频率上转换的和频光。两路和频光经多模光纤朝向多模光纤合束器14传输并在其内进行合束。最后，经合束的和频光经由多模光纤朝向高效率硅单光子探测器传输并由其进行单光子探测。

基于前面针对上转换单光子探测器1的工作原理的描述可知，在探测器1中，由于是在信号光接收光路中利用偏振分束单元将信号光分为偏振方向彼此不同的两路线偏振光，再利用一个双通道的PPLN波导直接对这两路线偏振光及其泵浦光进行频率上转换来产生两路和频光，最后利用多模光纤合束器将两路和频光进行合束，因此能够很好地解决上转换单光子探测器对信号光偏振敏感的问题，提供与偏振无关的上转换单光子探测。同时，由于探测器中的各功能单元的设置使得能够从信号光入口到探测单元探测的整个光路全部采用光纤器件来实现，使得探测器的光路搭建简单易于实现，可靠性高，便于产品化，很好地解决了现有技术只能在自由空间中实现或者是借助光纤器件与自由空间的组合来实现探测器光路的问题，解决了现有技术中由于自由空间光路造成的不稳定性问题。此外，在本发明中采用了多模光纤合束器，借助其具有低插损的特征，可以很好地改善探测器的探测效率。

进一步，为了提高探测器的信噪比，还可以在探测器中设置滤波器16，用于对和频光进行滤波处理以去除系统噪声光。如图所示，滤波器16可以设置在光纤合束单元14与探测单元15之间，但是本领域技术人员容易理解，滤波器16也可以设置在频率上转换单元13与光纤合束单元14之间。光纤合束单元14、滤波器16与探测单元15或者频率上转换单元13之间同样可以通过多模光纤提供光路连接。

基于本发明的原理，图5示出了本发明的全光纤偏振无关上转换单光子探测器的另一优选实施例。如图所示，单光子探测器2可以包括泵浦光源、分束单元21、频率上转换模块23、光纤合束单元24和探测单元25。在该实施例中，泵浦光源、分束单元21、光纤合束单元24和探测单元25可以具有与图4中的泵浦光源、分束单元11、光纤合束单元14和探测单元15相同的设置，出于简洁的目的，在此不再赘述相同的内容。

在该实施例中，为了更好地解决现有技术的偏振无关上转换单光子探测器中存在的系统搭建复杂、稳定性差、不适合产品化等问题，除了采用了与图4类似的光路配置之外，还引入了模块化的频率上转换模块23。具体而言，发明人创新性地提出以双通道周期极化铌酸锂波导为基础，沿着探测器1内的光传输方向依次在双通道周期极化铌酸锂波导的输入端上一体集成模式过滤器、第一锥形波导、方向耦合器和第二锥形波导等光波导元件，以形成图5中的频率上转换模块23，使其能够直接接收两路线偏振信号光和两路泵浦光并完成两路频率上转换过程，从而省略图4中的波分复用单元的使用以及与之相关的光纤连接设置，由此提供一种光路结构更为简单、稳定性更强、更适合产品化需求的单光子探测器。此外，借助频率上转换模块23，还可以避免由波分复用器带入的插入损耗，从而进一步提高探测器的探测效率，降低所需的泵浦光功率。进一步地，为了方便模式过滤器、第一锥形波导、方向耦合器和第二锥形波导等光波导元件在频率上转换模块23中的布局设置，还可以在频率上转换模块23中引入弯波导。

通过前面对频率上转换模块23的描述可知，图5中的频率上转换模块23可以具有四个输入端口和两个输出端口，其中四个输入端口分别用于接收两路泵浦光和由分束单元21分出的两路线偏振信号光。两路线偏振信号光和两路泵浦光经由模式过滤器、第一锥形波导、弯波导、方向耦合器和第二锥形波导最终以泵浦光和信号光合束的形式分别进入双通道周期极化铌酸锂波导的两个通道，以实现频率上转换过程，并最终通过两个输出端口向外输出两路和频光。优选地，出于方便设置和产品化等考虑，频率上转换模块23可以实现为芯片的形式。

同样地，出于更好理解的目的，下面将结合图5来具体说明单光子探测器2的工作原理。

如图所示，信号光经单模光纤输入偏振分束器21后分成两束相互垂直的线偏振光，例如水平偏振的第一线偏振光（如图5中的双箭头线所示）和垂直偏振的第二线偏振光（如图5中的圆点线所示），第一和第二线偏振光随后沿着保偏光纤的慢轴向频率上转换模块23传输。泵浦光源输出两路波长为1.95um的单频连续激光作为泵浦光使用，两路泵浦光通过保偏光纤朝向频率上转换模块23传输。在频率上转换模块23中，两路泵浦光与两路线偏振信号光完成频率上转换过程，并形成两路和频光。两路和频光经多模光纤朝向多模光纤合束器24传输并在其内进行合束。最后，经合束的和频光经由多模光纤朝向高效率硅单光子探测器25传输并由其进行单光子探测。

如前所述，相比于图4所示实施例，图5所描述的偏振无关上转换单光子探测器借助频率上转换模块23还可以进一步简化探测器光路结构，提高稳定性和探测效率，降低功耗，从而更有利于产品化的实施，更好地解决了现有偏振无关上转换单光子探测器中由于自由空间而导致的一系列问题。

类似地，为了进一步改善探测器2的信噪比，同样可以在单光子探测器2中设置滤波器26，用于对和频光进行滤波处理，以去除系统噪声光。滤波器26的设置位置与滤波器16类似，因此在此也不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、分束单元（11）、波分复用单元（12）、频率上转换单元（13）、光纤合束单元（14）和探测单元（15），其中：

所述分束单元（11）用于使信号光分出第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一和第二线偏振光具有不同的偏振方向；

所述泵浦光源用于提供泵浦光，其具有与所述信号光不同的频率；

所述波分复用单元（12）用于使所述第一线偏振光和所述第二线偏振光分别与所述泵浦光合束，以形成第一合束光和第二合束光；

所述频率上转换单元（13）用于使所述第一合束光中的所述第一线偏振光和泵浦光以及所述第二合束光中的所述第二线偏振光和泵浦光分别完成频率上转换，从而形成第一和频光和第二和频光；

所述光纤合束单元（14）用于使所述第一和频光和所述第二和频光进行合束，以形成第三合束光；

所述探测单元（15）用于对所述第三合束光进行单光子探测；以及

所述泵浦光源、所述分束单元（11）、所述波分复用单元（12）、所述频率上转换单元（13）、所述光纤合束单元（14）和所述探测单元（15）之间的光路连接通过光纤实现。

2.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述分束单元（11）为偏振分束器。

3.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述波分复用单元（12）包括两个波分复用器。

4.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述频率上转换单元（13）为双通道周期极化铌酸锂波导。

5.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述光纤合束单元（14）为多模光纤合束器。

6.如权利要求1所述的单光子探测器，其还包括滤波器（16），用于对所述和频光进行滤波处理。

7.一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、分束单元（21）、频率上转换模块（23）、光纤合束单元（24）和探测单元（25），其中：

所述分束单元（21）用于使信号光分出第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一和第二线偏振光具有不同的偏振方向；

所述泵浦光源用于提供泵浦光，其具有与所述信号光不同的频率；所述频率上转换模块（23）具有四个输入端口和两个输出端口，其中所述四个输入端口分别接收所述第一线偏振光、所述第二线偏振光和两路所述泵浦光，且所述频率上转换模块（23）被设置成使所述第一线偏振光与所述泵浦光的一路完成频率上转换过程以形成第一和频光，以及使所述第二线偏振光与所述泵浦光的另一路完成频率上转换过程以形成第二和频光；

所述光纤合束单元（24）用于使所述第一和频光和所述第二和频光进行合束，以形成合束光；

所述探测单元（25）用于对所述合束光进行单光子探测；以及

所述泵浦光源、所述分束单元（21）、所述频率上转换模块（23）、所述光纤合束单元（24）和所述探测单元（25）之间的光路连接通过光纤实现。

8.如权利要求7所述的单光子探测器，其中，所述频率上转换模块（23）包括模式过滤器、第一锥形波导、方向耦合器、第二锥形波导和双通道周期极化铌酸锂波导。

9.如权利要求8所述的单光子探测器，其中，所述频率上转换模块（23）还包括弯波导。

10.如权利要求7所述的单光子探测器，其中，所述分束单元（21）为偏振分束器。

11.如权利要求7所述的单光子探测器，其中，所述光纤合束单元（24）为多模光纤合束器。

12.如权利要求7所述的单光子探测器，其还包括滤波器（26），用于对所述和频光进行滤波处理。