CN208254652U - 一种小型化上转换单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种小型化的上转换单光子探测器，其包括光路集成模块、频率上转换模块、单光子探测模块和集成控制模块。其中，光路集成模块上集成有泵浦光源、光衰减器、波分复用器和滤波器，且经隔光处理；集成控制模块上集成有光路控制单元、频率上转换控制单元和探测控制单元，以为探测器提供所有电控功能；并且光路集成模块与所述频率上转换模块之间通过光纤实现光路连接。通过这种设计，使得能够降低探测器结构的复杂性、方便地实现探测器的小型化布局，改善探测效率，降低生产和维护成本，有利于探测器的产品化。

Description

一种小型化上转换单光子探测器

技术领域

本实用新型涉及光学检测领域，更具体地涉及上转换单光子探测器的小型化。

背景技术

量子保密通信，在国防、公共安全和经济活动中都有重要意义。然而量子密码的实用化进程中仍然存在着技术瓶颈,其中之一就是通信波段单光子探测器的性能不完美,这就限制了量子密码的传输距离和成码率。当前,国际上通用的通讯波段单光子探测器主要有三类:超导单光子探测器,铟镓砷雪崩二极管单光子探测器和上转换单光子探测器。超导单光子探测器需要工作在液氦温度下,其设备体积大、成本昂贵，为量子密码实用化设立了巨大障碍；商用的铟镓砷雪崩二极管单光子探测器，不需制冷剂、可集成，然而由于材料工艺的不完美性造成了其暗计数及后脉冲较高，量子效率仅约 10％，这也限制了其在长距离量子密钥分发中的应用。上转换单光子探测器是利用非线性光学的和频过程，将通讯波段光子上转换成为可见光光子，同时保持着量子特性不变，然后利用硅雪崩二极管单光子探测器进行探测。上转换单光子探测器量子效率高，不需制冷剂，可集成，且性能稳定、易于集成、便于操作。

图1示出了一种已经商用的上转换单光子探测器的原理图。如图1所示，对于这种单通道的近红外上转换探测器，泵浦光源为掺铥光纤激光器，输出1950nm的单频连续激光，并采用保偏光纤输出，信号光为近红外的1550nm波段单光子。泵浦光和信号光通过波分复用器合成一束，再经由保偏光纤输入到周期极化铌酸锂(PPLN) 波导中，其中周期极化铌酸锂波导需要进行温度控制。PPLN波导出射端连接微型滤波模块，然后再连接到硅探测器模块。在这种探测器结构中，上述连接部分都是通过法兰盘进行连接的。

现有的量子密钥分发系统中，往往需要四个通道的上转换单光子探测器。图2示出了现有技术中的一种四通道的上转换单光子探测器的整体结构图。在这种探测器中，泵浦激光器作为独立模块存在，有其独立的电控模块和散热模块，并且通过两级光功率放大提供4路连续光输出，并保证每路输出功率能够达到500mW左右。为了保证单光子探测器四个通道探测效率保持不变，要求泵浦光输出功率稳定，因而还在探测器中设置功率控制模块调节来实现，且具体实现泵浦光输出功率稳定的方式为：使泵浦光四路输出的其中一路通过99:1的分束器，将1％的光接入到铟镓砷PIN光电二极管，一旦二极管输出的电压信号发生较大波动，系统将通过反馈调节放大级泵浦的驱动电流大小来保持输出功率稳定性。另外，由于四个探测通道所需泵浦光功率有所偏差，所以还需要在探测器中设置可调光衰减器来调节每路泵浦光使其达到PPLN波导所需功率。

通过研究现有技术中的上转换单光子探测器产品，发明人发现其中至少存在以下不足：

1、泵浦激光器作为独立的产品部件嵌入到探测器系统中，有其独立的电控模块和散热模块，另外还需要利用四个独立的频率转换模块分别对四块波导进行控温以及探测的电信号处理，一块主控板控制泵浦激光器、风扇转速以及与频率转换模块的通信，泵浦激光器、WDM、滤波器等光纤盘绕空间分离。这最终导致现有的上转换单光子探测器体积大(680×450×180mm)、质量大(≈45kg)、结构件冗余。

B、泵浦激光器作为独立的产品部件嵌入到探测器系统中时，需要通过法兰连接方式与1550nm波段信号光耦合进入波分复用器，然后输入到周期极化铌酸锂波导中。连接法兰的存在会引入约0.2dB 的插损，并伴随带入约3-5dB偏振消光比的劣化。另外，通过法兰连接，陶瓷连接头受水蒸气冷凝、空气尘埃污染等影响，在强光下极易受损伤，严重影响探测器的性能，降低了产品的可靠性与安全性。

实用新型内容

基于发明人发现的现有技术的上转换单光子探测器中存在的缺陷，本实用新型提出了一种小型化的上转换单光子探测器，其可以包括光路集成模块1、频率上转换模块2、单光子探测模块3和集成控制模块4。具体地，所述光路集成模块1上集成有泵浦光源11、光衰减器12、波分复用器13和滤波器14；所述频率上转换模块2 上集成有四通道的周期极化铌酸锂波导，用于对信号光和泵浦光进行频率上转换以输出和频光；所述集成控制模块4上集成有用于控制所述光路集成模块1的光路控制单元、用于控制所述频率上转换模块2的频率上转换控制单元和用于控制单光子探测模块3的探测控制单元；并且所述光路集成模块1与所述频率上转换模块2之间通过光纤实现光路连接。

进一步地，所述光路集成模块1可以被设置成具有第一至第八共8个输入端口和第一至第八共8个输出端口，所述第一至第四输入端口用于接收所述信号光；所述第一至第四输出端口用于输出所述信号光与所述泵浦光的合束光；所述第五至第八输入端口用于接收所述和频光；以及，所述第五至第八输出端口输出所述和频光。优选地，所述滤波器14可以设置在所述第五至第八输入端口与所述第五至第八输出端口之间。

优选地，所述泵浦光源11可以为光纤激光器，所述光衰减器12 可以采用电控可调的光衰减器，且所述滤波器14可以为光纤滤波器。

优选地，所述频率上转换模块2可以具有四个输入端口和四个输出端口，所述输入端口连接保偏尾纤，且所述输出端口连接多模尾纤。

优选地，所述单光子探测模块3上可以集成有硅探测器。

优选地，所述光路控制单元可以被配置成能够控制所述泵浦光源11的稳定发光。

优选地，所述频率上转换控制单元可以被配置成能够对所述周期极化铌酸锂波导进行温度控制以使其温度保持恒定。

优选地，在本实用新型的探测器中，光纤光路的连接是通过光纤熔接的方式实现的。

优选地，本实用新型的探测器中要对所述光路集成模块1进行隔光处理。

附图说明

图1示出了现有技术的一种上转换单光子探测器；

图2示出了现有技术中的一种四通道的上转换单光子探测器的整体结构图；

图3示出了本实用新型的小型化上转换单光子探测器的系统架构图；

图4示出了本实用新型的小型化上转换单光子探测器的光路集成模块的原理图；以及

图5示出了本实用新型的小型化上转换单光子探测器的4进4 出(四通道)PPLN波导的原理图。

具体实施方式

在下文中，本实用新型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，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图3示出了本实用新型的小型化上转换单光子探测器的系统架构图。如图所示，该小型化探测器可以包括光路集成模块1、频率上转换模块2、单光子探测模块3和集成控制模块4。

图4示意性地示出了光路集成模块1的组成构架。如图所示，光路集成模块1上可以集成有泵浦光源11、光衰减器12、波分复用器13和滤波器14，且具有第一至第八共8个输入端口和第一至第八共8个输出端口。其中，第一至第四输入端口用于接收信号光；第一至第四输出端口用于输出信号光与泵浦光的合束光，其将被输入至频率上转换模块2中进行频率上转换过程以产生和频光；第五至第八输入端口用于接收自频率上转换模块2输出的和频光；第五至第八输出端口用于将和频光朝向单光子探测模块3输出。滤波器14 可以设置在第五至第八输入端口和第五至第八输出端口之间以对和频光进行滤波。

在本实用新型中，选择将泵浦光源11、光衰减器12、波分复用器13和滤波器14集成为一个模块的主要原因之一在于：发明人经研究发现，上述光学器件在信号光的频率上转换过程中起到非常重要的作用，但是在现有单光子探测器中，由于这些光学器件与探测器内其他器件，诸如用于实现电控功能的电子元件(例如电路板上的LED灯等)，在物理空间上没有进行相互隔离，导致这些其他器件产生的光以及周围环境的自然光会对上述光学器件中的光信号产生干扰，从而一定程度地增大探测器系统的暗计数，而在本实用新型提出之前，现有技术中的这种布局设计可能对探测效率带来的这种不利影响并未被本领域技术人员所意识到，且在现有布局之下难以消除这种不利影响。基于发明人新发现的影响探测器效率的这一因素，本实用新型因此选择将泵浦光源11、光衰减器12、波分复用器13和滤波器14集成形成光路集成模块1，并对光路集成模块1 进行隔光处理，从而减少环境引入的噪声，改善探测器的效率。

同时，为了方便集成，在光路集成模块1中，泵浦光源11可以采用光纤激光器，例如波长为1950nm的光纤激光器(其对应的信号光可以为1550nm波长)；光衰减器12可以采用电控可调的光衰减器；滤波器可以采用光纤滤波器的形式。本实用新型中通过采用这种优选实现形式，能够形成结构紧凑且高效的光路集成模块1，尤其有利于探测器的小型化设计。

从图4中可以看到，光路集成模块1中还可以集成有99:1的分束器，以便进行功率控制。

频率上转换模块2上可以集成有四通道的周期极化铌酸锂 (PPLN)波导。图5示出了本实用新型的四通道PPLN波导的频率上转换模块2的结构示意图，如图所示，其可以具有第一至第四共4 个输入端口和第一至第四共4个输出端口。在本实用新型中，通过引入这种四通道PPLN波导来实现频率上转换模块2，可以避免采用四个单独的PPLN波导造成的在布局及过程控制方面的不足。具体而言，在布局方面，采用四通道的PPLN波导可以以最为紧凑的物理结构满足探测器中对于频率上转换的需求；在过程控制方面，例如可以通过单个控制完成对四个频率上转换过程的温度控制，从而保证温控的一致性，同时对于温控单元的数量也减少了(可以只需要设置单个温控单元)，这相应地能够简化集成控制模块4的电路结构，大大降低探测器的系统复杂度，从而更为有利于探测器的小型化设计。

从图3和4中可以看到，频率上转换模块2的四个输入端口将对应连接光路集成模块1的第一至第四输出端口，且四个输出端口将对应连接光路集成模块1的第五至第八输入端口。作为优选示例，频率上转换模块2的四个输入端口可以分别连接四根保偏尾纤(例如PM1550)，四个输出端口连接四个多模尾纤。

单光子探测模块3用于接收来自光路集成模块1的和频光并对其进行探测。作为优选示例，单光子探测模块3上可以集成有硅探测器。

集成控制模块4上可以集成有光路控制单元、频率上转换控制单元和探测控制单元。其中，光路控制单元用于对光路集成模块1 进行控制，例如控制泵浦光源稳定发光；频率上转换控制单元用于对频率上转换模块2进行控制，例如对周期极化铌酸锂波导进行温度控制以使其温度保持恒定；探测控制单元用于对单光子探测模块3 进行控制，例如对探测器响应光信号所输出的电信号进行处理分析。此外，本领域技术人员容易理解，集成控制模块4上还可以集成有其他控制单元，例如以控制诸如风扇转速的参数。在本实用新型中，基于这种设计可以借助一个系统控制板(SCM)实现探测器的所有电控功能，这非常有利于探测器内部布局的优化需求，为探测器的小型化提供方便。进一步地，通过以集成控制模块4的形式提供所有电控功能，使得探测器内几乎所有的散热部件均集中在一块，使得在探测器内能够集中且针对性地进行散热处理，这显然有利于改善散热效果、消除冗余的散热设计、方便布局及节约物理空间。

此外，基于上述各个模块的集成化设计，尤其是对光路集成模块1和频率上转换模块2的优化集成设计，本实用新型还提出了采用光纤熔接的方式实现各个光路部分的物理连接，而非现有技术的借助法兰来实现的光纤光路连接。借助这种光路连接方式，不仅能够避免强泵浦光对光纤连接头的损伤，同时还能够保证良好的偏振消光比，尤其是对于保偏光纤之间的连接部分，这对于上转换探测器的长时间稳定工作提供了非常有利的保证。此外，在本实用新型的模块化设计方案中，各个功能模块分工明确，方便维护和布局，能够极大地降低生产成本和维护成本，非常适合探测器的产品化需求，能够很好地实现小型化设计，例如，与图2的现有产品相比，根据本实用新型设计的小型化探测器在体积上仅为该产品的约1/3，重量仅为该产品的约1/4。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型化上转换单光子探测器，其包括光路集成模块(1)、频率上转换模块(2)、单光子探测模块(3)和集成控制模块(4)，其特征在于：

所述光路集成模块(1)上集成有泵浦光源(11)、光衰减器(12)、波分复用器(13)和滤波器(14)；

所述频率上转换模块(2)上集成有四通道的周期极化铌酸锂波导，用于对信号光和泵浦光进行频率上转换以输出和频光；

所述集成控制模块(4)上集成有用于控制所述光路集成模块(1)的光路控制单元、用于控制所述频率上转换模块(2)的频率上转换控制单元和用于控制单光子探测模块(3)的探测控制单元；并且

所述光路集成模块(1)与所述频率上转换模块(2)之间通过光纤实现光路连接。

2.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述光路集成模块(1)被设置成具有第一至第八共8个输入端口和第一至第八共8个输出端口，所述第一至第四输入端口用于接收所述信号光；所述第一至第四输出端口用于输出所述信号光与所述泵浦光的合束光；所述第五至第八输入端口用于接收所述和频光；以及，所述第五至第八输出端口输出所述和频光。

3.如权利要求2所述的单光子探测器，其中，所述滤波器(14)设置在所述第五至第八输入端口与所述第五至第八输出端口之间。

4.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述泵浦光源(11)为光纤激光器，所述光衰减器(12)采用电控可调的光衰减器，且所述滤波器(14)为光纤滤波器。

5.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述频率上转换模块(2)具有四个输入端口和四个输出端口，所述输入端口连接保偏尾纤，且所述输出端口连接多模尾纤。

6.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述单光子探测模块(3)上集成有硅探测器。

7.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述光路控制单元被配置成能够控制所述泵浦光源(11)的稳定发光。

8.如权利要求1所述的单光子探测器，其中，所述频率上转换控制单元被配置成能够对所述周期极化铌酸锂波导进行温度控制以使其温度保持恒定。

9.如权利要求1所述的单光子探测器，其中光纤光路的连接通过光纤熔接的方式实现。

10.如权利要求1-9中任一项所述的单光子探测器，其中，所述光路集成模块(1)经隔光处理。