CN113358218B - 基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法，包括红外激光器，红外激光器发出的激光依次经光纤衰减器和偏振器后进入光纤分束器将入射光分成两束光，一束光经PPLN波导进行双光子上转换产生可见光后被单光子探测器接收；另一束光被光强探测器接收用于计算入射到PPLN波导的光强，通过对比单光子探测器的计数率和光强探测器的探测依赖关系，得到对应双光子符合测量装置的红外双光子上转换效率。本发明克服了现有红外单光子探测器效率低、噪声大的不足，从而能够更加高效地实现红外双光子符合测量，有利于进行红外光子的二阶干涉实验和应用研究。

Description

基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法

技术领域

本发明属于量子光学技术领域，具体涉及一种基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法。

背景技术

符合测量的最早应用出现在物理学中，其目的是判断多个同时或在极短时间内发生的事件是否存在关联性。确实存在相关性的事件一般被称作真符合，这是为了和偶然发生的符合事件进行区别，以统计学的角度分析，相关不一定表示存在因果关系。在量子力学方面，符合测量首先广泛应用于纠缠光子对的检测和判断，此外在单光子干涉等领域也有应用。现今已有多种较为成熟的技术通过程序控制方法实现效率更高、输入源更多的符合测量。

双光子符合测量主要检测两个单光子的时间特性，一般的双光子符合测量过程如下所述：两个光子分别进入两个单光子探测器，单光子探测器将接收到的单光子通过光电效应和放大作用转化为电脉冲信号，然后这两个电脉冲信号被传输到双光子符合测量系统中，测量两个电脉冲信号之间的时间差。当两个电脉冲信号的时间差小于选定的符合时间窗口时，这两个电脉冲信号对应的两个单光子的时间差也在符合时间窗口之内，此时两个单光子探测器就探测到了一个双光子符合事件；相反，当两个电脉冲信号的时间差大于选定的符合事件窗口时，这两个单光子探测器探测到的信号就不属于一个双光子符合事件。

目前用来进行双光子符合测量的方法主要有两种。

第一种是传统的基于单光子探测器的双光子符合测量方法，即：使用两个单光子探测器，通过把光信号转换成电信号，然后通过双光子符合测量系统来判断这两个电信号的时间差是否在符合时间窗口之内来完成双光子符合测量。这种方法是目前最主流的可见光的双光子符合测量方法，因为目前可见光单光子探测器技术比较成熟，性能也比较高，但是这种方法不适用于红外双光子符合测量系统，因为目前商业红外单光子探测器效率低、暗计数大，不能有效使用这种基于红外单光子探测器的红外双光子符合测量系统。

第二种方法是基于双光子吸收的双光子符合测量系统，这种方法的工作原理是利用强光照射具有双光子吸收特性的物质，利用双光子吸收物质存在的虚能级，使得在虚能级寿命之内到达的两个光子能够被吸收，电子从低能级被两个光子激发到高能级，电子从高能级向低能级跃迁的时候会发出一个光子，通过探测这个光子就能实现双光子符合测量。这种方法比传统方法更为简便，不足之处是双光子吸收效率一般非常低，需要比较高功率的入射光才能观测到有效的双光子吸收发射出来的光子，不能在弱光情况下实现双光子符合测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法，利用高效的周期极化铌酸锂PPLN波导将红外光子对转换为可见光单光子、然后利用高性能的可见光探测器进行光信号探测的方法，实现更为准确和高效的红外双光子符合测量，解决目前的红外双光子探测系统存在的红外单光子探测器效率低、噪声大的问题以及基于双光子吸收的红外双光子符合测量系统不能在弱光条件下工作的问题。

本发明采用以下技术方案：

基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置，包括红外激光器，红外激光器发出的激光依次经光纤衰减器和偏振器后进入光纤分束器将入射光分成两束光，一束光经PPLN波导进行双光子上转换产生可见光后被单光子探测器接收；另一束光被光强探测器接收用于计算入射到PPLN波导的光强，通过对比单光子探测器的计数率和光强探测器的探测依赖关系，得到对应双光子符合测量装置的红外双光子上转换效率。

具体的，偏振器为二分之一波片。

具体的，衰减器是光纤型光强衰减器。

具体的，红外激光器为单模红外激光器。

进一步的，被测红外光的中心波长为1550nm，通过改变周期极化铌酸锂温度进行1549～1551nm红外光的双光子上转换。

具体的，红外激光器通过第一光纤耦合器进入光纤衰减器，光纤分束器将入射光分成两束光中的一束光通过第二光纤耦合器进入PPLN波导。

具体的，单光子探测器的计数率为红外双光子上转换得到的可见光单光子计数率。

具体的，双光子上转换效率为通过单光子探测器的计数率，除以由光强探测器测量得到的光光强和光纤分束器的分束比计算得到的输入PPLN波导的光子数，得到基于PPLN红外双光子转换效率。

具体的，将红外激光器的功率从0上升至1000nW，通过记录光功率变化时可见光单光子计数器记录的数据，确定实际的单光子计数率和入射光功率的关系，得到红外双光子转换效率。

本发明的另一技术方案是，基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、红外激光器输出波长固定的信号光经第一光纤耦合器、衰减器、偏振器后进入光纤分束器；

S2、依据光纤分束器上侧支路光输入光强探测器后读取到的光强，通过衰减器调整信号光光强；

S3、光纤分束器下侧支路光经第二光纤耦合器和PPLN波导输入单光子探测器，记录此时单光子探测器的计数率；

S4、重复步骤S2和步骤S3，得到一系列的入射光光强和单光子计数率，以入射光光强作为横坐标，单光子计数率作为纵坐标，画出单光子计数率随入射光强的增加而增加的关系图，再通过单光子探测器的计数率，除以由光强探测器测量到的光强和光纤分束器的分束比计算得到的输入PPLN波导的光子数，得到基于PPLN的红外双光子转换效率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于周期极化铌酸锂波导的红外双光子符合测量装置，首先利用PPLN波导将红外光转换成可见光，从而避免了直接使用效率低、噪声大的红外单光子探测器来进行红外双光子符合测量；其次PPLN波导能够在单光子水平的情况下实现上转换，比双光子吸收材料效率更高，能够在弱光下实现红外双光子符合测量。

进一步的，将偏振器设置为二分之一波片，将进入PPLN波导内的入射光调整为最大限度地利用其非线性系数以实现双光子符合测量的偏振方向，这一过程中会把部分泵浦光过滤，故需要同时以光强探测器检测实际入射光功率。

进一步的，在本发明中，输入的信号光在光纤中传输，根据其传输介质和接口而选择FC光纤型光强衰减器。

进一步的，本发明使用第一FC光纤接头连接从泵浦光源到光强衰减器的光路，使用第二FC光纤接头连接分束器到PPLN波导的光路，以使本发明在结构上更具备灵活性和可调整性。

进一步的，本发明使用可见光单光子计数器来检测经过PPLN波导后产生的可见光波长范围内单光子，以实现对实际转化率更为直观的测量。

进一步的，本发明通过多次测量得到入射光光强和单光子计数率，画出单光子计数率和入射光强的关系图，得到基于PPLN波导的红外双光子符合测量的效率，这种较为直观的测量方法有助于直接地判断特定工作温度和光强下的转换效率，利于根据工程需要进行定量分析和调整。

进一步的，附图中所列举的单光子计数率在不同工作温度下和入射光强的关系图，说明了除入射光强的提高自然提高计数率外，处于更佳工作温度附近的单光子计数率随入射光强提高的幅度更为明显。这些曲线已经为本发明指出了最佳工作温度位于326K。

进一步的，本发明仅需通过单光子探测器的计数率，除以由光强探测器测量到的光强和光纤分束器的分束比计算得到的输入PPLN波导的光子数，就可以得到基于PPLN的红外双光子转换效率，计算较为简便，适宜实际应用。

综上所述，本发明只需根据实验需求调整PPLN波导工作温度和红外入射光的偏振，就能在使用一个可见光单光子探测器的情况下较为高效地实现红外双光子的符合测量，克服了现有红外单光子探测器效率低、噪声大的不足，从而能够更加高效地实现红外双光子符合测量，有利于进行红外光子的二阶干涉实验和应用研究。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为入射功率指入射到PPLN波导上的实际功率为140nW时，红外双光子转换效率同PPLN波导温度之间的关系示意图；

图3为PPLN波导温度处于323，324，325，326，327和328K时，上转换单光子计数率跟入射功率之间的非线性依赖关系示意图。

其中：1.红外激光器；2.第一光纤耦合器；3.衰减器；4.偏振器；5.光纤分束器；6.光强探测器；7.第二光纤耦合器；8.PPLN波导；9.单光子探测器。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于周期极化铌酸锂波导的红外双光子符合测量装置，通过调节PPLN波导工作温度、进入PPLN波导的入射光功率和偏振，使得处于双光子上转换时间窗口内的红外光子对有更大的概率被PPLN波导吸收并转换成为一个可见光范围内(775nm)的光子，再被可见光的单光子探测器探测到，由此实现了基于PPLN波导和可见光单光子探测器的红外双光子符合测量系统。本发明只需根据实验需求调整PPLN波导工作温度和红外入射光的偏振，就能在使用一个可见光单光子探测器的情况下较为高效地实现红外双光子的符合测量，克服了现有红外单光子探测器效率低、噪声大的不足，从而能够更加高效地实现红外双光子符合测量，有利于进行红外光子的二阶干涉实验和应用研究。

请参阅图1，本发明一种基于周期极化铌酸锂波导的红外双光子符合测量装置，包括：红外激光器1、第一光纤耦合器2、衰减器3、由二分之一波片构成的偏振器4、光纤分束器5、光强探测器6、第二光纤耦合器7、PPLN波导8和单光子探测器9。

红外激光器1发出的激光通过第一光纤耦合器2进入光纤衰减器3，通过光纤衰减器3调整激光光强后进入偏振器4，通过偏振器4改变入射光的偏振后进入光纤分束器5，光纤分束器5将入射光分成两束光，一束光通过第二光纤耦合器7进入PPLN波导8，PPLN波导8进行双光子上转换产生可见光后被单光子探测器9接收；另一束光被光强探测器6接收用于监测入射到PPLN波导8前段的光强，通过对比单光子探测器9的计数率和光强探测器6的探测依赖关系，得到对应双光子符合测量装置的测量效率。

红外激光器1是波段1550nm的单模红外激光器。

衰减器3是光纤型的光强衰减器。

光强探测器6能够进行光强监测的PIN探测器。

单光子探测器9用于检测通过PPLN波导8进行上转换的光子数量。

本发明一种基于周期极化铌酸锂波导的红外双光子符合测量装置的工作过程如下：

S1、红外激光器1输出波长固定的信号光经第一光纤耦合器2、衰减器3、偏振器4后进入光纤分束器5；

S2、依据光纤分束器5上侧支路光输入光强探测器6后读取到的光强，通过衰减器3调整信号光光强；

S3、光纤分束器5下侧支路光经第二光纤耦合器7和PPLN波导8输入单光子探测器9，记录此时单光子探测器9的计数率，此计数率为红外双光子上转换得到的可见光单光子计数率；

S4、重复步骤S2和步骤S3，得到一系列的入射光光强和单光子计数率，以入射光光强作为横坐标，单光子计数率作为纵坐标，画出单光子计数率随入射光强的增加而增加的关系图，再通过单光子探测器9的计数率，除以由光强探测器6测量到的光强和光纤分束器5的分束比计算得到的输入PPLN波导8的光子数，从而得到基于PPLN的红外双光子转换效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图2，在单光子计数率暗噪声为270c/s、入射到PPLN波导8上的激光功率为140nW时，PPLN波导8在不同温度下呈现出具有非线性特征的双光子转换效率。在本发明提出的新的符合测量方法中，其核心在于利用PPLN波导的高效的非线性转换将处于符合窗口内的光子对通过上转换输入单光子探测器，转换效率关系着这种新型方法的测量效率。从图中可以明显地观察出，在温度为315K至335K的区间中，转换效率曲线存在一个峰值，这证明PPLN波导的最佳工作温度为326.5K。

请参阅图3，在单光子计数率暗噪声270c/s时，测量323至328K之间PPLN波导8上转换的单光子计数率与入射功率的关系，可以看到单光子计数器的计数率呈现出较为明显的二次函数曲线变化趋势，证明PPLN波导的非线性转换依旧起作用。从图中看出，当PPLN波导8在326K时，二次函数变化最明显，这与图2中测量的结果是一致的，说明此时PPLN波导8的转换效率最高。

本发明有助于解决现有以红外探测装置为核心的应用系统的低灵敏度或高噪声问题，尤其是基于红外四象限探测装置的导航系统，本发明有望在较低低频噪声下提高该类系统的工作质量。

此外，本发明经红外波段光子通过PPLN波导转换成为可见光光子，提供了一种关联光子源，这有助于以不同应用场景的红外光测量为基础实现可调节性关联光子源系统的理论研究和实际应用。

综上所述，本发明一种基于周期极化铌酸锂波导的红外双光子符合测量装置，通过调整输入光的偏振和PPLN波导的工作温度，即可实现不同转换效率的红外双光子符合测量，利用这一特性，可根据实际需求进行调整，克服了传统方法红外单光子探测器效率低、噪声高的不足以及双光子吸收式测量方法不能进行弱光探测的不足。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置，其特征在于，包括红外激光器(1)，红外激光器(1)发出的激光依次经光纤衰减器(3)和偏振器(4)后进入光纤分束器(5)将入射光分成两束光，一束光经PPLN波导(8)进行双光子上转换产生可见光后被单光子探测器(9)接收；另一束光被光强探测器(6)接收用于计算入射到PPLN波导(8)的光强，通过对比单光子探测器(9)的计数率和光强探测器(6)的探测依赖关系，得到对应双光子符合测量装置的红外双光子上转换效率，双光子上转换效率为通过单光子探测器(9)的计数率，除以由光强探测器(6)测量得到的光光强和光纤分束器(5)的分束比计算得到的输入PPLN波导(8)的光子数，得到基于PPLN红外双光子转换效率，红外激光器(1)为单模红外激光器，被测红外光的中心波长为1550nm，通过改变周期极化铌酸锂温度进行1549～1551nm红外光的双光子上转换，偏振器(4)为二分之一波片。

2.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置，其特征在于，衰减器(3)是光纤型光强衰减器。

3.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置，其特征在于，单光子探测器(9)的计数率为红外双光子上转换得到的可见光单光子计数率。

4.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置，其特征在于，将红外激光器(1)的功率从0上升至1000nW，通过记录光功率变化时可见光单光子计数器记录的数据，确定实际的单光子计数率和入射光功率的关系，得到红外双光子转换效率。

5.根据权利要求1所述基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、红外激光器输出波长固定的信号光经第一光纤耦合器、衰减器、偏振器后进入光纤分束器；

S2、依据光纤分束器上侧支路光输入光强探测器后读取到的光强，通过衰减器调整信号光光强；

S3、光纤分束器下侧支路光经第二光纤耦合器和PPLN波导输入单光子探测器，记录此时单光子探测器的计数率；

S4、重复步骤S2和步骤S3，得到一系列的入射光光强和单光子计数率，以入射光光强作为横坐标，单光子计数率作为纵坐标，画出单光子计数率随入射光强的增加而增加的关系图，再通过单光子探测器的计数率，除以由光强探测器测量到的光强和光纤分束器的分束比计算得到的输入PPLN波导的光子数，得到基于PPLN的红外双光子转换效率。

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