CN112013975A - 一种小型化的上转换单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化的上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、波分复用器、周期极化铌酸锂波导和光电二极管，其中，周期极化铌酸锂波导为在周期极化铌酸锂薄膜材料中的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导，泵浦光源为分布式反馈激光器。借助铌酸锂薄膜波导和特殊的泵浦光源，可以在实现上转换单光子探测器小型化的同时，获得良好的探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及基于周期极化铌酸锂薄膜波导实现的小型化的上转换单光子探测器。
背景技术
上转换单光子探测器是目前综合性能最优的室温单光子探测器，其核心是利用周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的上转换和频效应，将通信波段的光子高效率地转换到可见光波段，然后再利用高品质的硅雪崩光电二极管进行探测，充分利用了硅雪崩光电二极管高效率、低噪声的优势，其性能可满足长距离量子密钥分发的需求，而且适用于实际场景应用。
图1示出了一种已经实现商业化应用的上转换单光子探测器的原理图。如图1所示，1550nm信号光和1950nm泵浦光首先通过一个波分复用器进行合束，然后再经由保偏光纤耦合进入到周期极化铌酸锂波导中；周期极化铌酸锂波导通过一个热电冷却系统精确地控温以满足相位匹配条件，从而实现最高的非线性转化效率；从波导出射端输出的863.6nm和频光经过一个集成的光纤滤波器滤波后，再利用硅雪崩光电二极管进行探测。
现有的商用上转换单光子探测器采用的周期极化铌酸锂波导通过逆向质子交换法制备而成，其核壳折射率差异较小(Δne≈0.02
@1550nm)，波导的光学限域效应较弱，波导中光斑模式的尺寸较大，光强度较低，因此其相互作用强度较弱，非线性转化效率较低。为了实现较高的转化效率，就要求周期极化铌酸锂波导器件必须具备足够长的相互作用长度以及足够高的泵浦光功率。
在量子密钥分发系统中已经商用的四通道上转换单光子探测器如图2所示，在这种探测器中，1950nm泵浦光源是以单频连续保偏光纤激光器作为种子源，再经由掺铥光纤放大器放大产生的，而为了获得足够高的泵浦光功率，通常需要经过两级光功率放大过程，以保证四路输出光功率都能够达到300mW左右；此外，在这种探测器中，泵浦激光器作为独立模块存在，还需要独立的电控模块和散热模块；而且，由于探测器四个通道的PPLN波导对泵浦光功率的需求有所偏差，因此还需要在探测器中设置可调节光衰减器来调节每个通道的泵浦光功率，从而优化四路探测通道的探测效率；另外，为了保证探测器四个通道的探测效率保持不变，还需要在探测器中设置功率控制与调节模块以保证泵浦光的输出功率稳定，以上因素导致1950nm泵浦光源的结构冗杂、体积庞大，无法实现上转换单光子探测器的小型化。
发明内容
针对现有技术的局限性，本发明提出在上转换单光子探测器中应用铌酸锂薄膜波导结构，以实现其小型化设计的基本构思。其中，针对特定的上转换单光子探测器使用环境，对铌酸锂薄膜波导的物理结构(形状及尺寸等)和制备工艺提出了创新性的设计方案，同时还在泵浦光源方面进行了优化设计，从而使得在获得小型化的上转换单光子探测器的同时，还能获得良好的探测效率。
与逆向质子交换波导相比，基于铌酸锂单晶薄膜的脊型波导具有更强的光学限域效应，其归一化转化效率比逆向质子交换波导高约两个数量级，因此泵浦光功率需求可以降低约两个量级。在基于铌酸锂单晶薄膜脊型波导的上转换单光子探测器中，1950nm的泵浦光源可以采用体积很小的分布式反馈激光器(必要时可以具有内置的半导体光放大器)代替，而不需要进行两级功率放大，最终上转换探测器体积可以减小至商用产品的约1/40。
具体而言，本发明涉及一种小型化的上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、周期极化铌酸锂波导和光电二极管，其特征在于：所述周期极化铌酸锂波导为在经周期极化的铌酸锂薄膜材料中的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导；并且，所述泵浦光源为分布式反馈激光器。
特别优选地，所述铌酸锂薄膜上的极化周期Λ为2-8μm，平均极化占空比为50％±20％；并且，所述脊型波导具有坡度角为40-80°的倾斜侧壁，波导高度为300-1200nm，波导宽度为0.5-3μm，且铌酸锂薄膜材料底座的高度为100-300nm。
进一步地，所述铌酸锂薄膜材料通过下列步骤进行周期极化处理：
利用紫外曝光光刻和剥离工艺在所述铌酸锂薄膜材料的上表面制备周期金属电极；
在室温环境下，将形成有所述金属电极的铌酸锂薄膜材料浸没在绝缘油中，利用外加电场法对其进行周期极化处理。
进一步地，所述脊型波导通过下列步骤制备而成：
在经周期极化的所述铌酸锂薄膜材料的上表面上设置光刻胶层；
通过电子束曝光技术在所述铌酸锂薄膜材料的周期极化区域上定义波导图案；
利用电感耦合等离子体干法刻蚀技术将所述波导图案转移至所述铌酸锂薄膜材料的表面。
特别优选地，本发明的上转换单光子探测器用于探测1550nm的信号光，其中，所述泵浦光源的波长为1950nm。
进一步地，所述脊型波导的表面上还沉积有SiO2包层。其中，所述SiO2包层优选具有≥1μm的厚度；并且/或者，所述沉积采用等离子体增强化学气相沉积法。
进一步地，本发明的上转换单光子探测器还可以包括用于所述脊型波导的温控单元，和/或设置在所述脊型波导的出射端的滤波单元。
优选地，所述滤波单元为光纤滤波器。
优选地，在所述铌酸锂薄膜材料中，所述铌酸锂薄膜位于SiO2绝缘层上，所述SiO2绝缘层位于衬底上。
更优选地，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅；并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有400-1500nm的厚度，所述SiO2绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见，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来获得其他的附图。
图1示出了一种已经实现商业化应用的上转换单光子探测器的原理图；
图2示出了应用于量子密钥分发系统中的四通道上转换单光子探测器；
图3示出了作为基质材料的x切铌酸锂薄膜材料的剖面图；
图4示出了利用外加电场法对样品进行周期极化处理的示意图；
图5(a)示出了根据本发明所制备的铌酸锂薄膜脊型波导的示意图；
图5(b)-(c)示出了在上转换单光子探测器的应用环境下，本发明的周期极化铌酸锂薄膜脊形波导中，1550nm的信号光的TE00和TM00模的电场分布。
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。
铌酸锂单晶薄膜由于完全保持了铌酸锂晶体的物理性质，因此其被主要用于高速光通信、量子信息及信息存储等领域。针对铌酸锂单晶薄膜材料，现有技术中已经公开了一些利用铌酸锂单晶薄膜材料制备波导的方法以及这种波导的具体应用。例如，CN110568694A号中国专利申请中公开了一种利用飞秒激光直写或精密金钢石刀切割技术在铌酸锂单晶薄膜上制备脊型波导的方案；CN109149047A号中国专利申请中公开了一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法；CN107561817A号中国专利申请中公开了一种铌酸锂薄膜纳米级周期性极化的方法。然而，现有技术中尚未见铌酸锂薄膜材料在上转换单光子探测器中的应用。
本发明提出在上转换单光子探测器中应用铌酸锂薄膜波导结构，以实现其小型化设计的基本构思。由于波导的性能对于上转换单光子探测器而言非常关键，而该性能又与波导的使用环境关系密切，因此，本发明还就上转换单光子探测器的特定需求，对铌酸锂薄膜波导的物理结构(形状及尺寸等)和制备工艺提出了独特而又具体的设计方案，从而使得利用该铌酸锂薄膜波导结构的上转换单光子探测器能够在实现小型化的同时，还具有良好的探测效率。
为了更清楚地介绍本发明的上转换单光子探测器及其中的铌酸锂薄膜波导的结构，下面将首先结合附图描述薄膜波导的制备过程。
根据本发明，首先需要对铌酸锂薄膜材料进行周期极化处理。
图3示出了作为基质材料的x切铌酸锂薄膜材料的剖面图。本领域技术人员可以理解，也可以采用z切铌酸锂薄膜材料作为基质材料。
如图3所示，铌酸锂薄膜材料可以具有三层结构，其中，最上层的铌酸锂薄膜可以具有400-1500nm的厚度，中间的SiO2绝缘层可以具有≥1μm的厚度，最下层的衬底(铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅等同类衬底)可以具有≥100μm的厚度。
在周期极化过程中，首先通过紫外曝光光刻和剥离工艺在铌酸锂薄膜的上表面(即+x面)制备周期金属电极，从而形成样品。作为示例，金属电极可以采用Au、Al、Cr等金属材料。
然后，在室温环境下将样品浸没在绝缘硅油中，然后通过外加电场法对样品进行周期极化处理。
图4示出了利用外加电场法对样品进行周期极化处理的示意图。
如图4所示，在周期极化处理过程中，以铌酸锂薄膜的z轴方向为极化方向。
特别地，在周期极化处理过程中将采用如下极化参数：极化宽度w＝10-100μm，极化区域长度L＝5-50mm，极化周期Λ＝2-8μm，平均极化占空比被控制为50％±20％。例如，可以借助压电显微镜来观察和测量极化占空比。
接着，可以在经周期极化的铌酸锂薄膜上制备脊型的波导结构。
在波导制备过程中，首先在周期极化的铌酸锂薄膜的上表面(即+x面)旋涂光刻胶层(例如可以为FOX16光刻胶，主要成分是HSQ，即氢硅酸盐类化合物)作为阻隔层，通过电子束曝光(EBL)技术在周期极化区域定义波导图案，然后通过电感耦合等离子体干法刻蚀(ICP)技术将波导图案转移至周期极化铌酸锂薄膜表面。在ICP刻蚀过程中，被光刻胶保护的铌酸锂薄膜没有被刻蚀，而裸露在外面的铌酸锂薄膜则被刻蚀掉一定深度，因此形成脊型波导结构。
图5(a)示出了根据本发明所制备的铌酸锂薄膜脊型波导的示意图。
在本发明中，为了能够很好地适应在上转换单光子探测器中的应用，对脊型波导的形状及参数进行了特别的优化设计。
具体而言，在本发明的脊型波导结构中，其高度可以在300-1200nm之间，波导宽度为0.5-3μm，铌酸锂薄膜材料底座的高度为100-300nm。特别地，脊型波导形成有倾斜的侧壁，其坡度角被控制在40-80°之间，用于进一步改善光学限域效应和转化效率，同时对于制备工艺效率也是有利的。
最后，还可以通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在脊型波导的表面沉积SiO2绝缘层作为包层。作为示例，SiO2包层的厚度可以为2μm。
图5(b)和(c)示出了在上转换单光子探测器的应用环境下，本发明的周期极化铌酸锂薄膜脊形波导中1550nm的信号光的TE00和TM00模的电场分布。由此可以看到，当本发明的周期极化铌酸锂薄膜脊形波导应用于上转换单光子探测器中时，尤其是1550nm的信号光在脊形波导中的传播及分布参数对于高效率地实现上转换过程是极其有利的。
根据本发明，还可以依次对脊型波导的入射端和出射端进行端面抛光和镀膜、光纤耦合以及波导封装等处理，从而得到“即插即用”的双端耦合周期极化铌酸锂薄膜波导器件。
在本发明的上转换单光子探测器中，由于脊型波导能够实现较强的光学限域效应和高的归一化转化效率，使用泵浦光功率较低的泵浦光源即可获得高的转化效率，因此，可以采用分布式反馈激光器(必要时可以具有内置的半导体光放大器)作为例如1950nm的泵浦光源使用。同时，由于这种激光器具有较小的体积，其与薄膜波导相配合能够很好地实现上转换单光子探测器的小型化。例如，与现有技术的上转换单光子探测器(例如图2所示四通道的单光子探测器)相比，经小型化后的单光子探测器的体积可以为它的约1/40。此外，分布式反馈激光器还具有单色性好(线宽<1MHz)、边模抑制比高(40-50dB)、激光性能精确、稳定、受机械振动的影响较小等优点，有利于提高上转换单光子探测器的性能以及探测系统的稳定性。
在其他方面，本发明的上转换单光子探测器同样还可以包括用于将信号光与泵浦光进行合束的波分复用器；以及用于对例如863.6nm的和频光进行探测的光电二极管。其中，1550nm的信号光和1950nm泵浦光经波分复用器合束后，可以经由保偏光纤耦合进入脊型波导中，通过温控单元精确地控制脊型波导的温度以满足相位匹配条件，以实现最高的非线性转化效率；从脊型波导出射端输出的和频光可以经过滤波(其例如可以借助由光纤滤波器实现的滤波单元)后，利用硅雪崩光电二极管进行探测。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (11)
1.一种小型化的上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、周期极化铌酸锂波导和光电二极管，其特征在于：
所述周期极化铌酸锂波导为在经周期极化的铌酸锂薄膜材料中的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导；并且，
所述泵浦光源为分布式反馈激光器。
2.如权利要求1所述的上转换单光子探测器，其中，所述周期极化铌酸锂薄膜厚度为400-1500nm，极化周期Λ为2-8μm，平均极化占空比为50％±20％；并且，
所述脊型波导具有坡度角为40-80°的倾斜侧壁，波导高度为300-1200nm，底座的高度为100-300nm，波导宽度为0.5-3μm。
3.如权利要求2所述的上转换单光子探测器，其中，所述铌酸锂薄膜材料通过下列步骤进行周期极化处理：
利用紫外曝光光刻和剥离工艺在所述铌酸锂薄膜材料的上表面制备周期金属电极；
在室温环境下，将形成有所述金属电极的铌酸锂薄膜材料浸没在绝缘油中，利用外加电场法对其进行周期极化处理。
4.如权利要求2所述的上转换单光子探测器，其中，所述脊型波导通过下列步骤制备而成：
在经周期极化的所述铌酸锂薄膜材料的上表面上设置光刻胶层；
通过电子束曝光技术在所述铌酸锂薄膜材料的周期极化区域上定义波导图案；
利用电感耦合等离子体干法刻蚀技术将所述波导图案转移至所述铌酸锂薄膜材料的表面。
5.如权利要求2所述的上转换单光子探测器，其用于探测1550nm的信号光，其中，所述泵浦光源的波长为1950nm。
6.如权利要求2所述的上转换单光子探测器，其中，所述脊型波导的表面上还沉积有SiO2包层。
7.如权利要求6所述的上转换单光子探测器，其中，所述SiO2包层具有≥1μm的厚度；
并且/或者，所述沉积采用等离子体增强化学气相沉积法。
8.如权利要求1所述的上转换单光子探测器，其还包括用于所述脊型波导的温控单元，和/或设置在所述脊型波导的出射端的滤波单元。
9.如权利要求8所述的上转换单光子探测器，其中，所述滤波单元为光纤滤波器。
10.如权利要求2所述的上转换单光子探测器，其中，在所述铌酸锂薄膜材料中，所述铌酸锂薄膜位于SiO2绝缘层上，所述SiO2绝缘层位于衬底上。
11.如权利要求10所述的上转换单光子探测器，其中，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅；并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有400-1500nm的厚度，所述SiO2绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。
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- 2020-08-06 CN CN202010785548.7A patent/CN112013975A/zh active Pending
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