CN204405194U - 基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器 - Google Patents
基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及单光子探测器领域，尤其是公开了一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，包括：信号光，用来输出单频连续激光的泵浦光源，泵浦光源和信号光均采用保偏光纤耦合输出，通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中，周期极化铌酸锂波导出射端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅一，光纤布拉格光栅一另一端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅二，光纤布拉格光栅二另一端连接有光环行器，光环行器通过单模光纤连接光纤布拉格光栅三，同时光环行器通过单模光纤连接单光子计数器模块。本实用新型能大幅降低拉曼噪声，解决了固化的困难，消除了产品潜在的不稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及单光子探测器领域，尤其是公开了一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器。
背景技术
当前，国际上通用的近红外单光子探测器有三类：超导探测器、铟镓砷雪崩二极管单光子探测器和上转换探测器。
超导探测器具有暗计数低（100 Hz左右）、时间分辨好（时间晃动60 ps）等优点，但商用超导探测器需要连续的液氦制冷才能维持有效工作，液氦制冷设备体积大、成本昂贵，这是其广泛使用的瓶颈。商用的InGaAs/InP单光子探测器的重复频率仅约10MHz，这大大限制了使用其的量子密码系统的传输距离和成码率。近年来，随着正弦门控和自差分电路等新技术的出现，InGaAs/InP单光子探测器已经可以工作在GHz的重复频率下，但是10%的量子效率、约10000Hz的暗计数和2%左右的后脉冲也限制了其在量子密码中的应用。
上转换探测器是通过非线性光学的和频过程，利用周期极化铌酸锂波导，实现准相位匹配，将通信波段信号光上转换成为可见光，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）和后脉冲少等优点，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。
而在上述非线性和频过程中，利用强泵浦光促进通信波段信号光高效上转换的同时，也引入了大量的非线性噪声，主要来源于三个方面：拉曼噪声光子，强泵浦光产生的自发参量下转换光子、二次谐波及三次谐波光子。随着长波泵浦技术的发明以及相应的周期极化铌酸锂波导的研制成功，解决了波导非线性过程中引入高噪声的问题，长波泵浦技术可以消除自发参量下转换带来的噪声，同时也极大程度地减小了拉曼散射引入的噪声，因此滤波光路主要考虑滤除源于强泵浦光的二次谐波、三次谐波光子及拉曼噪声光子。
图1和图2是目前已有的搭建于实验室光学平台上的上转换单光子探测器架构。泵浦光源为一个掺铥光纤激光器，输出单频连续激光，采用单模光纤耦合输出。信号光为近红外的单光子光源，同样采用单模光纤耦合输出。由于周期极化铌酸锂波导只能传输TM00模式光信号，泵浦光和信号光均需要通过偏振控制器，然后接入波分复用器合成一束，再经由单模光纤输入到周期极化铌酸锂波导中，其中周期极化铌酸锂波导需要进行温度控制。
如前所述，强泵浦光会引入二次和三次谐波光子，这可以通过滤波片消除，但是拉曼噪声的频谱很宽，要想将之完全清除是不可能的，只能通过各种窄带滤波技术尽可能的降低噪声。目前，主要的滤波技术包括：基于多模光纤的空间滤波技术（如图1），基于光学色散器件（三棱镜或体布拉格光栅）的空间滤波技术（如图2）。这些滤波技术都需要搭建自由空间滤波光路，多模光纤的高效耦合、三棱镜以及体布拉格光栅的摆放都要经过精密复杂的光路调节才能完成，这对于上转换探测器产品化过程中的光学器件固化与稳定性都带来极大的困难。
除了以上提到的三种自由空间滤波方式，华东师范大学曾和平研究小组在其“一种高效红外单光子探测方法（200710048180.0）”一文中提出基于光纤布拉格光栅（FBG）和波分复用器（WDM）的全光纤滤波方式，虽然实现滤波光路的全光纤化，但是该文中使用的方法只能滤除二次谐波和三次谐波，无法滤除宽波段的拉曼噪声，造成基于全光纤器件的探测器噪声很高。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，该基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器通过光纤布拉格光栅和光环行器的联合使用，大幅降低拉曼噪声，并且，基于光纤布拉格光栅或波分复用器的全光纤滤波模块，解决了固化的困难，消除了产品潜在的不稳定性，降低产品维护成本的同时，也使得上转换探测器产品小型便携化。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，包括：信号光，用来输出单频连续激光的泵浦光源，泵浦光源和信号光均采用保偏光纤耦合输出，通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中，周期极化铌酸锂波导出射端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅一，光纤布拉格光栅一另一端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅二，光纤布拉格光栅二另一端连接有光环行器，光环行器通过单模光纤连接光纤布拉格光栅三，同时光环行器通过单模光纤连接单光子计数器模块。
所述泵浦光源为一个掺铥光纤激光器。
所述光纤布拉格光栅一和光纤布拉格光栅二通过波分复用器一和波分复用器二分别代替。
所述信号光为近红外的单光子光源。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过光纤布拉格光栅和光环形器的联合使用，大幅度压低了拉曼噪声，实现了全光纤的超低噪声近红外单光子探测器。
2、周期极化铌酸锂波导前端光路均采用保偏光纤输入或输出，省去进入波导前两种光信号的偏振调节，这样使整个探测器更加紧凑。
3、采用全光纤器件滤波技术，由于光纤器件连接简易快捷且对形变不敏感，滤波模块全光纤化不仅可以克服固化带来的困难，还消除了产品潜在的不稳定性。
4、采用全光纤器件滤波技术，光纤器件可以通过合理的布局将上转换探测器产品小型化、便携化。
5、采用全光纤器件滤波技术，由于滤波器件全部为光纤器件，一个器件的损坏不会造成整个滤波模块报销，只需针对性地更换即可，维护方便且成本可控。
附图说明
图1为基于多模光纤空间滤波技术的上转换单光子探测器结构视图；
图2为基于光学色散器件（棱镜或光栅）的上转换单光子探测器结构；
图3为本实用新型基于光纤布拉格光栅滤波的上转换单光子探测器结构；
图4为本实用新型基于波分复用器和光纤布拉格光栅滤波的上转换单光子探测器结构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明，图1至图4中相关注释如下：
1.95um pump：1.95um泵浦光激光器；2um pump：2um 泵浦光激光器；PMF：保偏光纤；MMF：多模光纤；PPLN WG：周期极化铌酸锂波导；SMF：单模光纤；WDM：波分复用器；OC：光环形器；FBG：光纤布拉格光栅；SPCM：单光子计数模块；Signal：信号光；PC：偏振控制器；L：透镜；DM：二向色镜；F1、F2、F3：滤波片；F4：棱镜；R：反射镜；FC：光纤耦合器。
本实用新型公开了一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，包括：信号光，用来输出单频连续激光的泵浦光源，泵浦光源和信号光均采用保偏光纤耦合输出，通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中，周期极化铌酸锂波导出射端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅一，光纤布拉格光栅一另一端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅二，光纤布拉格光栅二另一端连接有光环行器，光环行器通过单模光纤连接光纤布拉格光栅三，同时光环行器通过单模光纤连接单光子计数器模块。
具体实现方法如下：
泵浦光源为一个掺铥光纤激光器，输出2um波段（1.8-2.1um）的单频连续激光，采用保偏光纤耦合输出。信号光为近红外的单光子光源，同样采用保偏光纤耦合输出。二者通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经由保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中。周期极化铌酸锂波导采用双端光纤耦合，入射端为保偏光纤，出射端为单模光纤。
在图3中，通过FBG（光纤布拉格光栅）来代替完成空间滤波。FBG作为一种光纤滤波器件，可以实现类似于体布拉格光栅的窄带滤波功能，其入射端和出射端均接入单模光纤。考虑到多种噪声的来源，通过FBG1（光纤布拉格光栅一）和FBG2（光纤布拉格光栅二）来滤除泵浦光产生的二次谐波及三次谐波光子，再把FBG3（光纤布拉格光栅三）和光环形器（OC）联合使用，将拉曼噪声降低到100Hz量级。目前市场上可见光波段的光环形器损耗很大，这将会直接影响到探测器的整体探测效率，因此在对探测效率无太高要求，而对噪声大小要求极高的情况下，可以采用此种基于FBG的全光纤窄带滤波方案。
另外，在图3架构的基础上，也可以将FBG1和FBG2分别用相应波段的WDM1（波分复用器一）和WDM2（波分复用器二）来代替，如图4所示。
实施例一：如图3所示，掺铥泵浦光激光器输出1950nm的单频连续激光，采用保偏光纤耦合输出。信号光为近红外的1550nm单光子光源，同样采用保偏光纤耦合输出。二者通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经由保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中。周期极化铌酸锂波导采用双端光纤耦合，入射端为保偏光纤，出射端为单模光纤。FBG1用于滤除泵浦光二次谐波，即975nm噪声，FBG2用于滤除泵浦光三次谐波，即650nm噪声，FBG3和环形器用于滤除拉曼噪声，即FBG3为863.6nm波段窄带滤波，带宽小于0.1nm。
实施例二：如图4所示，掺铥泵浦光激光器输出2000nm的单频连续激光，采用保偏光纤耦合输出。信号光为近红外的1500nm单光子光源，同样采用保偏光纤耦合输出。二者通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经由保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中。周期极化铌酸锂波导采用双端光纤耦合，入射端为保偏光纤，出射端为单模光纤。WDM1用于滤除泵浦光二次谐波，即1000nm噪声， WDM2用于滤除泵浦光三次谐波，即666.67nm噪声，FBG3和环形器用于滤除拉曼噪声，即FBG3为857.14nm波段窄带滤波，带宽小于0.1nm。
综上所述，本实用新型通过光纤布拉格光栅和光环形器的联合使用，大幅度压低了拉曼噪声，实现了全光纤的超低噪声近红外单光子探测器。
周期极化铌酸锂波导前端光路均采用保偏光纤输入或输出，省去进入波导前两种光信号的偏振调节，这样使整个探测器更加紧凑。采用全光纤器件滤波技术，由于光纤器件连接简易快捷且对形变不敏感，滤波模块全光纤化不仅可以克服固化带来的困难，还消除了产品潜在的不稳定性。采用全光纤器件滤波技术，光纤器件可以通过合理的布局将上转换探测器产品小型化、便携化。采用全光纤器件滤波技术，由于滤波器件全部为光纤器件，一个器件的损坏不会造成整个滤波模块报销，只需针对性地更换即可，维护方便且成本可控。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，包括：信号光，用来输出单频连续激光的泵浦光源，泵浦光源和信号光均采用保偏光纤耦合输出，通过保偏光纤接入保偏的波分复用器，将泵浦光和信号光合成一束，并经保偏光纤输入到周期极化铌酸锂波导中，周期极化铌酸锂波导出射端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅一，光纤布拉格光栅一另一端通过单模光纤连接光纤布拉格光栅二，光纤布拉格光栅二另一端连接有光环行器，光环行器通过单模光纤连接光纤布拉格光栅三，同时光环行器通过单模光纤连接单光子计数器模块。
2.根据权利要求1所述的基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，其特征在于：所述泵浦光源为一个掺铥光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，其特征在于：所述光纤布拉格光栅一和光纤布拉格光栅二通过波分复用器一和波分复用器二分别代替。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器，其特征在于：所述信号光为近红外的单光子光源。
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