CN111089648B - 光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，包括：氦氖激光，用于发出泵浦光，经单模光纤耦合输出；Y形熔融光纤波分复用器，用于将泵浦光导入光纤耦合单光子源器件激发产生单量子点荧光信号；2x2熔融光纤分束器，与Y形熔融光纤波分复用器的输出端相连，用于将单量子点荧光信号按功率平分为两路并输出；激光准直器，分别将两路功率平分后的单量子点荧光信号转换为两路空间平行荧光；滤波片组，用于分别将两路空间平行荧光中的非单光子信号滤除，得到两路窄谱线单光子信号；两个硅单光子计数器，用于测试窄谱线单光子信号计数率；时间符合计数模块，与硅单光子计数器相连，通过符合计数表征单光子信号二阶关联度。
Description
技术领域
本公开涉及半导体量子光源技术领域，尤其涉及一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置。
背景技术
自组织量子点是很好的固态量子发光材料，其发光稳定无漂白，在制备量子光源方面具有显著优势。这种固态量子光源要想推广应用，需解决两个难题：1)量子点在样品上的位置分布随机，实验上通常用共聚焦显微装置寻找定位和测试，光路系统复杂，且对振动敏感，要想实现器件应用必须做好定位；2)量子点荧光中通常包括强激光背景、体材料、浸润层和不同激子态发光。要想实现单光子发射，必须从中高效滤出比较干净的单个激子态谱线并测试二阶关联度，实验上，通常用光栅单色仪进行滤光，光栅多级衍射造成滤光效率低，探测器收集到的单光子计数低，而且单色仪体积大，这些都不利于推广应用。光纤定位粘和单量子点是解决难题1的有效手段。近年来，国内外都制备出光纤耦合单光子源器件，其对振动不敏感、光谱测试简单、光学收集效率高，有望实现即插即用，是固态单光子源推广应用的有效途径。难题2目前还没有很好解决手段。近年来出现的光纤Bragg光栅滤光器由于设计波长固定，调谐范围小，截止深度小，无法满足上述滤光要求。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，以缓解现有技术中滤出比较干净的单个激子态谱线并测试二阶关联度装置设计波长固定，调谐范围小，截止深度小，无法满足滤光要求等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，包括：
氦氖激光2，用于发出泵浦光，经单模光纤14耦合输出；
Y形熔融光纤波分复用器1，其输入端与所述氦氖激光2相连，共线端与光纤耦合单光子源器件11相连，用于将泵浦光导入光纤耦合单光子源器件11激发产生单量子点荧光信号；
2x2熔融光纤分束器3，与所述Y形熔融光纤波分复用器1的输出端相连，用于将所述单量子点荧光信号按功率平分为两路并输出；
两个激光准直器4，分别将两路功率平分后的单量子点荧光信号转换为两路空间平行荧光；
两个滤波片组，用于分别将两路空间平行荧光中的非单光子信号滤除，得到两路窄谱线单光子信号；
每个滤波片组包括顺次排列的长通滤光片5和窄谱线带通滤光片6；
两个激光准直器4′，分别将两路窄谱线单光子信号收集入两路多模光纤7中；
两个硅单光子计数器8，分别与所述两路多模光纤7相连，用于测试窄谱线单光子信号计数率；
时间符合计数模块9，与所述硅单光子计数器8相连，通过符合计数表征单光子信号二阶关联度。
在本公开实施例中，所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，还包括：
成像光谱仪10，连接所述多模光纤7，用于实时表征滤光时荧光谱状态。
在本公开实施例中，所述光纤耦合单光子源器件11为单模光纤直接耦合输出，通常需用制冷平台12冷却，制冷平台12为～80K液氮罐或～10K氦循环压缩制冷机。
在本公开实施例中，所述光纤耦合单光子源器件11的制备材料包括：自组织量子点、金刚石色心。
在本公开实施例中，所述Y形熔融光纤波分复用器1基于单模光纤熔接而成，用于将650nm波段泵浦激光导入，并将900-1300nm波段荧光信号导出。
在本公开实施例中，所述2x2熔融光纤分束器为宽带单模光纤分束器，具有2输入和2输出，实现光功率平分。
在本公开实施例中，所述窄谱线带通滤光片6为介质膜干涉型滤光片，随着其倾斜角度增加，相长干涉的光程差减小，滤光窗口波长蓝移。
在本公开实施例中，所述窄谱线带通滤光片6滤光的光谱带宽包括1～3nm；滤光的峰值透过率包括50％～90％。
在本公开实施例中，通过光谱确定窄谱线带通滤光片6滤出单光子谱线且强度调节到最高。
在本公开实施例中，硅单光子计数器8置于暗盒，多模光纤7外面包裹黑色胶带，以降低背景光子计数。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可对特定波段单光子信号进行高效的功率平分，而且两路自由空间滤光光路均为一字形“一入一出”光路，精确调节光纤准直器对准的难度降低；
(2)可从量子点荧光谱中高效滤出单光子谱线，其体积小，可装置化；
(3)滤光只需精密调节窄谱线带通滤光片的倾斜角，操作简单，而且滤光后光谱实时可见，收光效率比较高。
附图说明
图1为本公开实施例光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置的光路示意图。
图2为本公开实施例测试完成的光纤耦合单光子源的光谱。
图3为本公开实施例测试完成的光纤耦合单光子源的二阶关联度示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-Y形熔融光纤波分复用器；2-氦氖激光；3-2x2熔融光纤分束器；
4、4′-激光准直器；5-长通滤光片；6-窄谱线带通滤光片；
7、7′-多模光纤；8-硅单光子计数器；9-时间符合计数模块；
10-成像光谱仪；11-光纤耦合单光子源器件；12-制冷平台；
13-陶瓷套管光纤适配器；14-单模光纤。
具体实施方式
本公开提供了一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，自由空间滤光光路采用干涉型窄谱线带通滤光片高效滤光，以代替光栅单色仪色散滤光，避免了光栅多级衍射造成的分光效率低、后端收光效率低、滤光后光谱不可见的问题，同时也兼顾了滤光的光谱带宽，保证从荧光谱中高效滤出单光子谱线，采用光纤分束器高效分束和两路自由空间滤光光路，以避免常用的光学分束器和光纤准直器在空间多维精密调节对准方面的难度，采用基于单模光纤的波分复用器、分束器作为滤光光路前端和多模光纤作为滤光光路后端以提高滤光后光纤收集效率，从而构造出针对光纤耦合单光子源器件的滤光-二阶关联度测试一体化装置，以解决固态量子光源需要用光栅单色仪滤出单光子谱线因而限制其走出实验室推广应用的问题，为光纤耦合单光子源器件推广应用提供技术基础。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，如图1所示，所述光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，包括：
氦氖激光2，用于发出泵浦光，经单模光纤(14)耦合输出，产生高斯圆形光斑用于空间分辨激发单量子点；
Y形熔融光纤波分复用器1，其输入端与所述氦氖激光2相连，共线端与光纤耦合单光子源器件11相连，用于将泵浦光导入光纤耦合单光子源器件11激发产生单量子点荧光信号；光纤之间的连接均采用陶瓷套管光纤适配器13；
2x2熔融光纤分束器3，与所述Y形熔融光纤波分复用器1的输出端相连，用于将所述单量子点荧光信号按功率平分为两路并输出；
两个激光准直器4，分别将两路功率平分后的单量子点荧光信号转换为两路空间平行荧光；
两个滤波片组，用于分别将两路空间平行荧光中的消除非单光子信号滤除，得到两路窄谱线单光子信号；
每个滤波片组包括顺次排列的长通滤光片5和窄谱线带通滤光片6；窄谱线带通滤光片6置于精密调节旋转台上，调节其倾斜角度用于调节滤光波长。
两个激光准直器4′，分别将两路窄谱线单光子信号收集入两路多模光纤7中；
两个硅单光子计数器8，分别与所述两路多模光纤7相连，用于测试窄谱线单光子信号计数率；
时间符合计数模块9，与所述硅单光子计数器8相连，通过符合计数表征单光子信号二阶关联度。
在本公开实施例中，所述装置还包括：
成像光谱仪10，其输入口为多模光纤7′延长的光纤输入口，可即插即用，连接所述多模光纤7，用于实施表征滤光时荧光谱状态，滤光调节完成后，成像光谱仪10可以移走。
所述2x2熔融光纤分束器为宽带单模光纤分束器，具有2输入和2输出，实现光功率平分；
所述光纤耦合单光子源器件11为单模光纤直接耦合输出，所用材料体系包括但不限于各种固态量子发光材料，如自组织量子点、金刚石色心；通常需要制冷平台12对其冷却；制冷平台12为～80K液氮罐或～10K氦循环压缩制冷机，真空光纤连接采用橡胶塞，中间无光纤接口，以避免真空光纤接口造成的功率损耗。
本公开所述装置空间滤光光路采用单模光纤输入、多模光纤输出，单模光纤具有完美的高斯光束和小数值孔径，多模光纤7具有大芯径和大数值孔径，优化激光准直器(4和4’)选型后，理论上可以100％收集荧光。该装置为全光纤结构，光路灵活、调节简单，而且滤光波长可调，避免了光栅多级衍射损耗，滤光效率最高可达50％，适于推广。
所述Y形熔融光纤波分复用器1基于单模光纤熔接而成，可以将650nm波段泵浦激光信号导入，并将900-1300nm波段荧光信号导出。
本公开所述装置采用两路自由空间滤光光路，中间没有光学分束器，使两端的光纤准直器8对准调节简单，耦合高效。
本公开实施例中，采用窄谱线带通滤光片6进行高效滤光，替代常用的光栅单色仪滤光，以避免光栅多级衍射，窄谱线带通滤光片6为介质膜干涉型滤光片，随着其倾斜角度增加，相长干涉的光程差减小，滤光窗口波长蓝移。滤光的光谱带宽包括且不限于目前已有的1～3nm，滤光的峰值透过率包括且不限于目前已有的50％～90％。
所述硅单光子计数器8置于暗盒，多模光纤7外面包裹黑色胶带，以降低背景光子计数。
所述成像光谱仪10为外设调试设备，其输入端为光纤；滤光时将两路多模光纤7分别连接其光纤接口，通过光谱确定窄谱线带通滤光片6滤出单光子谱线。
本公开基于通用的光纤耦合单光子源器件11，其为单模光纤耦合输出InAs量子点单光子源器件，其具有分布Bragg反射镜微柱结构，通常置于制冷平台12中进行冷却，以便发出谱线极细的激子态光谱，如图2，发光波段位于900～930nm。
制冷平台12通常是闭路氦循环低温恒温仪，其具有真空腔，可使器件温度降到最低10K；光纤通过真空腔采用橡胶塞密封，而非真空光纤接口，以减小接口处单光子损耗。还可是～80K低温液氮罐。
量子点单光子的激发和收集采用Y形熔融光纤波分复用器1，其为单模光纤，保证650nm波段泵浦激光高效导入和900～1300nm波段单量子点荧光高效导出。
泵浦激光为氦氖激光2，其通过单模光纤耦合输出，并连接到Y形熔融光纤波分复用器1的650nm波段光纤输入端。
量子点荧光通过Y形熔融光纤波分复用器1的980～1300nm波段光纤输出端，输出到2x2熔融光纤分束器3进行功率平分。2x2熔融光纤分束器3也是基于单模光纤，而且分束高效、光路灵活。
2x2熔融光纤分束器3的两路光纤输出分别经光纤准直器4转换为两路自由空间平行光，并通过长通滤光片5和窄谱线带通滤光片6滤光，滤出单个激子态光谱单线，用于单光子发射。
滤光后，自由空间平行光再次经光纤准直器4收集入多模光纤7，用于后续光谱、二阶关联度测量。多模光纤7可提高光纤收光效率。
两路自由空间滤光光路均为一入一出，光束不弯折，其两端光纤准直器4的对准调节简单，避免了通常光学分束器和光纤准直器构成的一入二出分束光路在空间精确对准方面的调节难度。
在精确调节窄谱线带通滤光片6的倾角以滤出单光子谱线的过程中，多模光纤7一直连接成像光谱仪10，以便于实时观测滤光后的光谱，使单光子谱线正好滤出，且强度调节到最高。两路多模光纤7分别连接成像光谱仪10以便调节各自的窄谱线带通滤光片6。
之后，将多模光纤7输出的滤光后的单光子信号连接到硅单光子计数器8上，测试其输出计数率，并分别连接时间符合计数模块9的start和stop端口，通过符合计数表征其二阶关联度，如图3。
在本实施例中，如图2所示，光纤耦合量子点单光子源的光谱呈现波长920.4nm的细锐谱线，周围是很弱的其他激子态发光。通过窄谱线带通滤光片6滤出单光子谱线，如图中虚线方框，测试其二阶关联度，如图3，发现具有很好单光子性，实测得到的二阶关联度g2(0)小于0.5(如实线)，退卷积后的二阶关联度g2(0)达到0.05(如虚线)。拟合发光寿命约为0.4ns。
本公开的技术方案相对与现有技术具有如下好的技术效果：
(1)常用的二阶关联度测试光路为“一入两出”T字形，需要在空间多维度精密调节1个光学分束器和3个光纤准直器的对准，调节难度很大；与之相比，本发明所采用的光纤分束器可对特定波段单光子信号进行高效的功率平分，而且两路自由空间滤光光路均为一字形“一入一出”光路，精确调节光纤准直器对准的难度降低。
(2)常用的光栅单色仪色散滤光由于光栅多级衍射造成分光效率低、后端收光效率低，而且单色仪体积大，不利于推广；与之相比，本发明所采用的干涉型窄谱线带通滤光片可从量子点荧光谱中高效滤出单光子谱线，其体积小，可装置化。目前，窄谱线带通滤光片的滤光谱带宽已普遍达到1～3nm(最好达到0.1nm)，而峰值透过率保持在50％～90％，可满足单光子滤光要求。
(3)本发明采用自由空间滤光光路和多模光纤收光光路，滤光只需精密调节窄谱线带通滤光片的倾斜角，操作简单，滤光后光谱实时可见，而且由于单模光纤具有完美高斯光束和小数值孔径、多模光纤具有大芯径和大数值孔径，其收光效率也比较高，优化激光准直器选型后，理论上可达100％。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，其基于现有光纤耦合单光子源器件，能够精确定位以便高效耦合输出；可有效缓解光栅单色仪的高效滤光中存在的问题。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，包括：
氦氖激光(2)，用于发出泵浦光，经单模光纤(14)耦合输出；
Y形熔融光纤波分复用器(1)，其输入端与所述氦氖激光(2)相连，共线端与光纤耦合单光子源器件(11)相连，用于将泵浦光导入光纤耦合单光子源器件(11)激发产生单量子点荧光信号；
2x2熔融光纤分束器(3)，与所述Y形熔融光纤波分复用器(1)的输出端相连，用于将所述单量子点荧光信号按功率平分为两路并输出；
两个激光准直器(4)，分别将两路功率平分后的单量子点荧光信号转换为两路空间平行荧光；
两个滤波片组，用于分别将两路空间平行荧光中的非单光子信号滤除，得到两路窄谱线单光子信号；
每个滤波片组包括顺次排列的长通滤光片(5)和窄谱线带通滤光片(6)；
两个激光准直器(4′)，分别将两路窄谱线单光子信号收集入两路多模光纤(7)中；
两个硅单光子计数器(8)，分别与所述两路多模光纤(7)相连，用于测试窄谱线单光子信号计数率；
时间符合计数模块(9)，与所述硅单光子计数器(8)相连，通过符合计数表征单光子信号二阶关联度。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，还包括：
成像光谱仪(10)，连接所述多模光纤(7)，用于实时表征滤光时荧光谱状态。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述光纤耦合单光子源器件(11)为单模光纤直接耦合输出，需用制冷平台(12)冷却，制冷平台(12)为～80K液氮罐或～10K氦循环压缩制冷机。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述光纤耦合单光子源器件(11)的制备材料包括：自组织量子点、金刚石色心。
5.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述Y形熔融光纤波分复用器(1)基于单模光纤熔接而成，用于将650nm波段泵浦激光导入，并将900-1300nm波段荧光信号导出。
6.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述2x2熔融光纤分束器为宽带单模光纤分束器，具有2输入和2输出，实现光功率平分。
7.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述窄谱线带通滤光片(6)为介质膜干涉型滤光片，随着其倾斜角度增加，相长干涉的光程差减小，滤光窗口波长蓝移。
8.根据权利要求7所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，所述窄谱线带通滤光片(6)滤光的光谱带宽包括1～3nm；滤光的峰值透过率包括50％～90％。
9.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，通过光谱确定窄谱线带通滤光片(6)滤出单光子谱线且强度调节到最高。
10.根据权利要求1所述的光纤耦合单光子源的滤光和二阶关联度测试装置，硅单光子计数器(8)置于暗盒，多模光纤(7)外面包裹黑色胶带，以降低背景光子计数。
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