CN112985596A - 基于频率上转换的10.6μm单光子探测器及其性能测试实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频率上转换的10.6μm单光子探测器，以及基于该单光子探测器的性能测试实验装置。在本发明的10.6μm单光子探测器中，基于OP‑GaAs薄膜设计了一种脊型波导结构，用以将长波红外的单光子和频转换至短波红外波段，再采用成熟的短波红外单光子探测器检测，由此在长波红外波段上实现单光子探测，从而使得全天候的自由空间量子密钥分发、红外单光子成像及单光子激光雷达成为可能。并且，借助本发明，可以实现室温环境下的单光子探测，摆脱低温限制，由此能够极大地简化单光子探测器结构，降低其对使用环境的要求，以及使用和维护成本，拓展其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息科学领域，尤其涉及一种基于频率上转换的10.6μm单光子探测器，以及该单光子探测器的性能测试实验装置。
背景技术
在红外波段有三个大气窗口：1-3μm、3-5μm及8-12μm，分别属于短波红外、中波红外及长波红外。而大气中的水分子是红外辐射的主要吸收体，相比中、短波红外，长波红外窗口能有效抵挡水分子的吸收，降低天气的影响，有着更优异的传输特性。尤其10.6μm波段，大气中各种粒子对其的散射和吸收均较弱，因此有望被用于实现全天候自由空间量子密钥分发，全天候红外单光子成像及单光子激光雷达等重要领域。
目前长波红外波段的探测器主要有：碲镉汞(MCT)红外探测器、量子阱红外探测器、II类超晶格红外探测器。
碲镉汞属于直接带隙半导体材料，吸收外来光子产生的电子跃迁为带间跃迁，即电子从价带跃迁到导带，量子效率高，可达70％～80％。但是，目前长波红外波段增益为100量级，尚无法实现单光子水平的探测，而且长波红外波段带间隧穿电流大，造成器件本底噪声恶化。此外，由于汞非常不稳定，容易从碲镉汞材料中逸出造成器件性能的退化；并且为了提高探测器性能，降低噪声，该探测器需要在77K左右的低温下工作。
对于量子阱红外探测器，外来光子引起的电子或空穴跃迁属于子带间跃迁，器件响应波长从中波红外3μm到甚长波红外30μm连续可调。目前已经获得稳定生产并广泛应用的是砷化镓(GaAs)/铝镓砷(AlGaAs)量子阱红外探测器。但是量子阱探测器由于子带间跃迁的工作方式无法吸收垂直入射光，且载流子数量少，其量子效率被限制在10％左右。
II类超晶格探测器理论上能够综合前面两种探测器的优势，电子有效质量大，器件暗电流更小，但目前工艺仍在进一步完善。
此外，量子阱和II类超晶格探测器均没有增益器件的相关研究报道，目前还无法实现弱光探测，且这两种探测器也均需要在65K和80K左右的低温下工作。
由此可见，现有技术已知的三种长波红外波段的探测器均无法实现单光子探测，一方面在于增益性能较差，同时其本底噪声较大。另外，这三种探测器均需要低温制冷，无法在室温工作，限制了其应用范围。
发明内容
针对现有技术无法在长波红外波段上实现单光子探测这一问题，本发明首次提出一种基于取向图案化砷化镓(Orientation-Patterned Gallium Arsenide，OP-GaAs)波导的频率上转换方案，将长波红外的单光子和频转换至短波红外波段，再采用成熟的短波红外单光子探测器检测，由此在长波红外波段上实现单光子探测，从而使得全天候的自由空间量子密钥分发、红外单光子成像及单光子激光雷达成为可能。并且，借助本发明，可以实现室温环境下的单光子探测，摆脱低温限制，由此能够极大地简化单光子探测器结构，降低其对使用环境的要求，以及使用和维护成本，拓展其应用范围。
本发明的第一方面涉及一种基于频率上转换的10.6μm单光子探测器，其包括泵浦光源、第一光学组件，基于OP-GaAs薄膜的脊型波导，第二光学组件，以及短波红外单光子探测器；其中，
所述泵浦光源被设置用于输出泵浦光；
所述第一光学组件被设置用于接收所述泵浦光和波长为10.6μm的信号光，并将所述泵浦光和所述信号光耦合进入所述脊型波导；
所述脊型波导被设置用于使所述泵浦光和所述信号光进行频率上转换，以生成和频光；
所述第二光学组件被设置用于收集所述脊型波导的输出光，并进行滤波，只将所述和频光输入所述短波红外单光子探测器。
优选地，所述泵浦光源的波长为1.9-2.0μm；以及/或者，所述短波红外单光子探测器为超导单光子探测器、上转换单光子探测器、或者铟镓砷雪崩二极管单光子探测器。
进一步地，所述脊型波导可以通过以下步骤制备而成：将形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜转移至绝缘硅衬底上；以及在转移至所述绝缘硅衬底上的所述OP-GaAs薄膜上，形成所述脊型波导。
进一步地，所述脊型波导具有角度为80°-90°的倾斜侧面、宽度为10-20μm的上表面、10-15μm的脊高、以及3-8μm的底座高度。
更进一步地，在所述将形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜转移至绝缘硅衬底上的步骤中：
先对所述形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜的上表面进行研磨抛光；
然后，将经研磨抛光的OP-GaAs薄膜的上表面与所述绝缘硅衬底的SiO2表面层进行键合，所述绝缘硅衬底为硅衬底经过湿法氧化得到，且所述SiO2表面层厚度为4-5μm；
再对所述GaAs衬底一侧进行研磨抛光。
更进一步地，在所述在转移至绝缘硅衬底上的OP-GaAs薄膜上形成脊型波导的步骤中：
先在所述OP-GaAs薄膜上镀厚度为700-900nm的SiO2层，再在所述SiO2层上涂覆掩模光刻胶层；
然后，通过紫外光刻在周期排列区域定义波导路径，并通过反应离子刻蚀对所述SiO2层进行刻蚀，接着去掉所述掩膜光刻胶层，形成SiO2掩模；
再通过电感耦合等离子体干法刻蚀对所述OP-GaAs薄膜进行刻蚀，以形成脊型波导；
最后对所述脊型波导的侧壁、入射端面和出射端面进行抛光。
进一步地，所述第一光学组件包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第一双色镜DM1，其中，所述第一透镜L1被设置用于收集所述泵浦光，并将其传输至第一双色镜DM1；所述第二透镜L2被设置用于将收集的所述信号光进行扩束，并将其传输至所述第一双色镜DM1；所述第一双色镜DM1被设置用于将所述泵浦光和所述信号光进行合束；所述第三透镜L3被设置用于将合束光聚焦耦合至所述脊型波导中；
以及/或者，所述第二光学组件包括第四透镜L4、第二双色镜DM2、滤波单元和第五透镜L5，其中，所述第四透镜L4被设置用于对所述脊型波导的输出光进行收集和准直，并将其传输至所述第二双色镜DM2；所述第二双色镜DM2被设置用于将所述输出光中的和频光和泵浦光分离开；所述滤波单元被设置用于对由所述第二双色镜DM2分离的所述和频光进行滤波；所述第五透镜L5被设置用于将所述经滤波的和频光输入所述短波红外单光子探测器。
本发明的第二方面涉及一种10.6μm单光子探测器的性能测试实验装置，其包括信号光单光子源，以及上述10.6μm单光子探测器，其中：
所述信号光单光子源包括波长为10.6μm的激光器、第一衰减片、第二衰减片、偏振片、偏振分束器、分束器和光功率计；
所述第一衰减片、所述偏振片、以及所述偏振分束器依次设置在所述10.6μm的激光器与所述分束器之间；
所述光功率计和所述第二偏振片分别设置在所述分束器的两个输出端。
进一步地，所述第一衰减片被设置用于将所述10.6μm的激光器输出的激光信号进行衰减；所述偏振分束器被设置用于保证输入到所述分束器的激光信号为水平偏振；所述分束器被设置用于将所述激光信号分为第一分量和第二分量；所述偏振片和所述偏振分束器被设置用于使所述第一分量的功率为-30至-50dBm，其中，所述偏振片是可调节的；所述分束器和所述第二衰减片被设置成使所述第一分量和第二分量在功率上相差50-70dB。
优选地，所述10.6μm的激光器可以为连续线偏振CO2激光器。
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示意性地示出了根据本发明的基于频率上转换的10.6μm单光子探测器的结构原理图；
图2示意性地示出了根据本发明的基于OP-GaAs薄膜的脊型波导制备过程中薄膜转移过程；
图3a和b分别示意性地示出了根据本发明的基于OP-GaAs薄膜的脊型波导的立体图和截面图；
图4示意性地示出了应用本发明的基于频率上转换的10.6μm单光子探测器的性能测试实验装置图。
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1示出了根据本发明的基于频率上转换的10.6μm单光子探测器的结构原理图。在本发明的单光子探测器中，基于非线性光学和频过程，利用准相位匹配的OP-GaAs波导将10.6μm波段的长波红外光子转换为短波红外光子，并用短波红外单光子探测器进行探测。
具体参见图1的示例，本发明的单光子探测器可以包括泵浦光源、第一光学组件，基于OP-GaAs薄膜的脊型波导，第二光学组件，以及短波红外单光子探测器。
泵浦光源用于提供泵浦光，其例如可以以激光器的形式来实现。作为示例，泵浦光可以具有1.95-2.0μm的波长，泵浦光源可以为波长为1.95-2.0μm的单频激光器。
第一光学组件用于接收泵浦光和信号光，并使泵浦光和信号光耦合进入基于OP-GaAs薄膜的脊型波导。
在基于OP-GaAs薄膜的脊型波导中，泵浦光和信号光经频率上转换过程形成和频光。作为示例，当泵浦光具有1.95μm的波长时，波长为10.6μm的信号光通过与该泵浦光经过频率上转换过程作用后，将被转换成波长为1.647μm的和频光。
第二光学组件用于收集脊型波导输出的和频光，并将其传输至短波红外单光子探测器中。其中，由于和频光中通常会包含和频光和剩余的泵浦光，因此，第二光学组件可以被设置成具有滤除除和频光之外的杂散光的功能。
短波红外单光子探测器对接收到的和频光进行探测计数，从而实现对10.6μm的单光子信号光的探测。作为示例，短波红外单光子探测器可以包括超导单光子探测器、上转换单光子探测器、铟镓砷雪崩二极管单光子探测器等。
在本发明的10.6μm单光子探测器中，基于OP-GaAs薄膜的脊型波导的设计非常重要，其在很大程度上决定了频率上转换过程的效率和性能，进而对该10.6μm单光子探测器的最终效率和性能产生非常重要的影响。
下面结合附图2、3a和3b来说明本发明的基于OP-GaAs薄膜的脊型波导的制备过程及其结构参数。
根据本发明，OP-GaAs薄膜可以是在1°偏角的GaAs衬底上经分子束外延(MBE)生长形成的。
在脊型波导的制备过程，首先要进行OP-GaAs薄膜的转移步骤，其用于将形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜转移至绝缘硅衬底上。
参见图2的示例，在该转移步骤中，对于形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜(如图2左侧所示)，先对OP-GaAs薄膜的上表面进行研磨抛光处理然后将经研磨抛光的OP-GaAs薄膜的上表面与绝缘硅衬底的SiO2表面层进行键合(如图2中间所示)。作为示例，所述绝缘硅衬底可以由硅衬底经过湿法氧化得到，且在绝缘硅衬底中，形成于该Si衬底上的SiO2层可以具有4-5μm的厚度。
接着，从OP-GaAs薄膜的GaAs衬底一侧对其进行研磨抛光处理，最终实现将OP-GaAs薄膜从GaAs衬底转移到绝缘硅衬底上(如图2右侧所示)。作为示例，可以从GaAs衬底侧研磨抛光至14-18μm，来实现薄膜转移过程。
在将OP-GaAs薄膜转移到绝缘硅衬底上之后，则可以在OP-GaAs薄膜上镀厚度为700-900nm的SiO2层，并在SiO2层上旋涂掩模光刻胶层。
通过紫外光刻在OP-GaAs周期排列区域定义波导路径，并通过反应离子刻蚀技术刻蚀SiO2层，接着去掉掩膜光刻胶层以形成SiO2掩模，再通过电感耦合等离子体干法刻蚀(ICP)技术进行刻蚀，其中，由SiO2层覆盖的部分将被保护，而裸露的部分被刻蚀掉一定深度，从而得到脊型波导。
最后对脊型波导侧壁进行抛光，降低表面粗糙度从而降低传输损耗，再对脊型波导的入射及出射端面进行抛光及镀膜。
图3a示出了脊型波导的立体示意图，其中，各个晶向如图所示，信号光和泵浦光从左侧射入，平行于周期排列方向，正负取向GaAs宽度相同，分别为1/2周期，对应一阶准相位匹配。
图3b示出了脊型波导的截面图。根据本发明，基于OP-GaAs薄膜的脊型波导将具有倾斜的侧面，其中，侧壁角为80°-90°，波导上表面的宽度为10-20μm，脊高为10-15μm，底座高度为3-8μm。
借助该脊型波导结构和参数，可以在将低频信号光(尤其是波长为10.6μm的信号光)转换为高频信号光时，信号光的量子特性在频率转换过程中保持不变，同时提供强的限域效应，有效提高归一化的转换效率。由此，为实现长波红外波段单光子的低噪声、高效率的探测提供有利条件。
此外，本领域技术人员能够理解，第一光学组件和第二光学组件的光学设计，对于本发明的10.6μm单光子探测器的性能也有较大的影响。下面将结合图1的示例来进一步说明本发明的第一和第二光学组件的光路设计。
如图1所示，第一光学组件可以包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第一双色镜DM1。在本发明，″透镜″可以是指单个透镜，也可以是透镜的组合。
第一透镜L1用于收集泵浦光，并将其传输至第一双色镜DM1。
第二透镜L2用于对信号光进行收集和扩束，并将其传输至第一双色镜DM1。
第一双色镜DM1用于将泵浦光和信号光进行合束。
第三透镜L3用于将由第一双色镜DM1输出的合束光聚焦耦合至基于OP-GaAs薄膜的脊型波导中。
第二光学组件可以包括第四透镜L4、第二双色镜DM2、滤波单元和第五透镜L5。
第四透镜L4用于对脊型波导的输出光进行收集和准直，并将其传输至第二双色镜DM2。如前所述，脊型波导的输出光包括和频光和泵浦光。
第二双色镜DM2用于将上述输出光中的和频光和泵浦光分离开。
滤波单元则用于对经第二双色镜DM2分离的和频光进行滤波，以进一步滤波其中除和频光之外的杂散光。作为示例，滤波单元可以为组合滤波片BPF的形式。
第五透镜L5用于将经滤波单元滤波的和频光输入至短波红外单光子探测器中。
图4示出了基于本发明的10.6μm单光子探测器的性能测试实验装置的示意图。
在该性能测试实验装置中，除了本发明的10.6μm单光子探测器之外，还包括信号光单光子源。
如图4所示，信号光单光子源可以包括激光器、偏振片P1、偏振分束器PBS、分束器BS、光功率计PM、第一和第二衰减片OA1和OA2。
激光器用于输出激光信号，其可以为连续光的形式。作为示例，激光器可以为波长为10.6μm的连续线偏振CO2激光器。
第一衰减片OA1用于对激光器输出的激光信号进行一次衰减。
偏振片P1用于将一次衰减的激光信号二次衰减且可调节。
偏振分束器用于保证输入后端分束器的信号光为水平偏振。
分束器用于对经衰减的激光信号分束成第一分量和第二分量，其中，第一分量朝向光功率计PM传输，第二分量朝向衰减片OA2传输。
第二衰减片OA2用于对第二分量进行衰减，从而制备信号光单光子源。
在本发明的信号光单光子源中，分束器和第二衰减片OA2被设置成使第一分量和第二分量在功率上相差50-70dB。并且，通过调节偏振片使第一分量的功率为-30至-50dBm(其由光功率计来进行监测)，相应地，信号光单光子源输出的第二分量的功率约为-100dBm。通过实时监测光功率计的读数，最终可以获得Mcps量级的稳定的信号光单光子源。
由信号光单光子源输出的(经标定的)单光子信号光经第二透镜L2扩束，与泵浦光通过第一双色镜DM1合束后，经过第三透镜L3聚焦耦合进入基于OP-GaAs薄膜的脊型波导中。泵浦光和信号光在脊型波导内完成频率上转换过程，10.6μm的信号光被转化为1.647μm(泵浦光波长为1.95μm)。
脊型波导的输出光包含和频光和剩余泵浦光。
该输出光经第四透镜L4收集，然后经第二双色镜DM2分开，其中，和频光通过组合滤波片BPF滤波后进入短波红外单光子探测器SPD被探测计数，从而实现10.6μm长波信号光的探测。
综上，本发明首次提出和实现基于非线性光学频率上转换实现10.6μm波段单光子探测的单光子探测器及其性能测试实验装置。其中，通过设计基于OP-GaAs薄膜的脊型波导结构，将低频信号光转换为高频光信号，同时在该频率转换过程中能够使光的量子特性保持不变，同时提供强限域效应，有效提高归一化转换效率。由此使得能够利用成熟的短波红外单光子探测器对和频光子进行探测，从而实现长波红外波段单光子的低噪声、高效率探测，填补10.6μm波段单光子探测的空白。另外，本发明中的频率上转换过程可在室温下进行，因此，本发明的10.6μm单光子探测器可以在室温环境下实现长波红外波段单光子探测。由于具有上述特点，使得实现全天候自由空间量子密钥分发、全天候红外单光子成像及单光子激光雷达成为可能，本发明的单光子探测器对于这些技术领域具有极其重要的意义。
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 (10)
1.一种基于频率上转换的10.6μm单光子探测器，其包括泵浦光源、第一光学组件，基于OP-GaAs薄膜的脊型波导，第二光学组件，以及短波红外单光子探测器；其中，
所述泵浦光源被设置用于输出泵浦光；
所述第一光学组件被设置用于接收所述泵浦光和波长为10.6μm的信号光，并将所述泵浦光和所述信号光耦合进入所述脊型波导；
所述脊型波导被设置用于使所述泵浦光和所述信号光进行频率上转换，以生成和频光；
所述第二光学组件被设置用于收集所述脊型波导的输出光并进行滤波，只将所述和频光输入所述短波红外单光子探测器。
2.如权利要求1所述的10.6μm单光子探测器，其中：
所述泵浦光源的波长为1.95-2.0μm；以及/或者，
所述短波红外单光子探测器为超导单光子探测器、上转换单光子探测器、或者铟镓砷雪崩二极管单光子探测器。
3.如权利要求1所述的10.6μm单光子探测器，其中，所述脊型波导通过以下步骤制备而成：
将形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜转移至绝缘硅衬底上；
在转移至所述绝缘硅衬底上的所述OP-GaAs薄膜上，形成所述脊型波导。
4.如权利要求1或3所述的10.6μm单光子探测器，其中，所述脊型波导具有角度为80°-90°的倾斜侧面、宽度为10-20μm的上表面、10-15μm的脊高、以及3-8μm的底座高度。
5.如权利要求3所述的10.6μm单光子探测器，其中，在所述将形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜转移至绝缘硅衬底上的步骤中：
先对所述形成于GaAs衬底上的OP-GaAs薄膜的上表面进行研磨抛光；
然后，将经研磨抛光的OP-GaAs薄膜的上表面与所述绝缘硅衬底的SiO2表面层进行键合，所述绝缘硅衬底为硅衬底经过湿法氧化得到且所述SiO2表面层厚度为4-5μm；
再对所述GaAs衬底一侧进行研磨抛光。
6.如权利要求3所述的10.6μm单光子探测器，其中，在所述在转移至绝缘硅衬底上的OP-GaAs薄膜上形成脊型波导的步骤中：
先在所述OP-GaAs薄膜上镀厚度为700-900nm的SiO2层，再在所述SiO2层上涂覆掩模光刻胶层；
然后，通过紫外光刻在OP-GaAs周期排列区域定义波导路径，并通过反应离子刻蚀对所述SiO2层进行刻蚀，接着去掉所述掩膜光刻胶层，形成SiO2掩模；
再通过电感耦合等离子体干法刻蚀对所述OP-GaAs薄膜进行刻蚀，以形成脊型波导；
最后对所述脊型波导的侧壁、入射端面和出射端面进行抛光。
7.如权利要求1所述的10.6μm单光子探测器，其中：
所述第一光学组件包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第一双色镜DM1，其中，
所述第一透镜L1被设置用于收集所述泵浦光，并将其传输至第一双色镜DM1；
所述第二透镜L2被设置用于收集所述信号光并扩束，再将其传输至所述第一双色镜DM1；
所述第一双色镜DM1被设置用于将所述泵浦光和所述信号光进行合束；
所述第三透镜L3被设置用于将合束光聚焦耦合至所述脊型波导中；
以及/或者，所述第二光学组件包括第四透镜L4、第二双色镜DM2、滤波单元和第五透镜L5，其中，
所述第四透镜L4被设置用于对所述脊型波导的输出光进行收集和准直，并将其传输至所述第二双色镜DM2；
所述第二双色镜DM2被设置用于将所述输出光中的和频光和泵浦光分离开；
所述滤波单元被设置用于对由所述第二双色镜DM2分离的所述和频光进行滤波；
所述第五透镜L5被设置用于将所述经滤波的和频光输入所述短波红外单光子探测器。
8.一种基于10.6μm单光子探测器的性能测试实验装置，其包括信号光单光子源，以及如权利要求1-7中任一项所述的10.6μm单光子探测器，其中：
所述信号光单光子源包括波长为10.6μm的激光器、第一衰减片、第二衰减片、偏振片、偏振分束器、分束器和光功率计；
所述第一衰减片、所述偏振片以及所述偏振分束器依次设置在所述10.6μm的激光器与所述分束器之间；
所述光功率计和所述第二偏振片分别设置在所述分束器的两个输出端。
9.如权利要求8所述的性能测试实验装置，其中：
所述第一衰减片被设置用于将所述10.6μm的激光器输出的激光信号进行衰减；
所述偏振分束器被设置用于使输入所述分束器的激光信号为水平偏振光；
所述分束器被设置用于将所述激光信号分为第一分量和第二分量；
所述偏振片和所述偏振分束器被设置成用于使所述第一分量的功率为-30至-50dBm，其中，所述偏振片是可调节的；
所述分束器和所述第二衰减片被设置成使所述第一分量和第二分量在功率上相差50-70dB。
10.如权利要求9所述的性能测试实验装置，其中，所述10.6μm的激光器为连续线偏振CO2激光器。
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