CN220104287U - 一种上转换单光子探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及量子探测和量子通信领域，尤其涉及一种上转换单光子探测系统，该系统包括：第一光源、第二光源、波分复用器、上转换波导、超窄带滤波器和雪崩二极管；第一光源通过光纤连接波分复用器的第一输入端，第二光源通过光纤连接波分复用器的第二输入端，波分复用器的输出端通过光纤连接上转换波导的一端，上转换波导的另一端通过光纤连接超窄带滤波器的输入端，超窄带滤波器的输出端通过光纤连接雪崩二极管；上转换单光子探测系统还包括第一温控装置，第一温控装置安装在超窄带滤波器的周围，以对超窄带滤波器的温度进行采集和调节，不仅能够有效减少噪声，而且能够改善探测效率，促进了探测器在各种应用环境中的使用。

Description

一种上转换单光子探测系统

技术领域

本实用新型涉及量子探测和量子通信领域，尤其涉及一种上转换单光子探测系统。

背景技术

波长为1550nm的信号光常作为通信波段光源，目前，有多种基于该通信波段光源的单光子探测器，比如铟镓砷探测器。但是，经上转换后通过硅探测器实现探测的上转换探测器具有自身的优势，例如：后脉冲概率会比铟镓砷探测器低。同时，上转换探测器自身具有的窄带滤波特性，可以过滤到1550nm之外的杂光，以实现保持较低的噪声，尤其是基于波长为1950nm的泵浦光来泵浦1550nm的信号光的单光子探测器。但是，由于1950nm激光器输出功率较小，用于上转换探测器中需要进行放大，这无疑增加了上转换探测器的成本以及上转换探测器的体积。对此，可以采用其他波长的激光器来泵浦1550nm的信号光，但是其他波长的激光器在泵浦1550nm的信号光的过程中存在噪声较大等问题，因此，如何有效减少其他波长的激光器在泵浦1550nm的信号光的过程中的噪声成为亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种上转换单光子探测系统，以解决其他波长的激光器在泵浦1550nm的信号光的过程中噪声高的问题。

本实用新型实施例提供一种上转换单光子探测系统，所述上转换单光子探测系统包括：第一光源、第二光源、波分复用器、上转换波导、超窄带滤波器和雪崩二极管；

所述第一光源通过光纤连接所述波分复用器的第一输入端，所述第二光源通过光纤连接所述波分复用器的第二输入端，所述波分复用器的输出端通过光纤连接所述上转换波导的一端，所述上转换波导的另一端通过光纤连接所述超窄带滤波器的输入端，所述超窄带滤波器的输出端通过光纤连接所述雪崩二极管；

所述上转换单光子探测系统还包括第一温控装置，所述第一温控装置安装在所述超窄带滤波器的周围，以对所述超窄带滤波器的温度进行采集和调节。

在一实施方式中，所述第一温控装置包括第一热敏电阻和第一TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第一温控器，所述第一温控器包括第一ADC、第一FPGA、第一DAC和第一TEC驱动芯片，所述第一ADC的输入端连接所述第一热敏电阻，所述第一ADC的输出端连接所述第一FPGA的输入端，所述第一FPGA的输出端连接通过所述第一DAC连接所述第一TEC驱动芯片，所述第一TEC驱动芯片驱动连接所述第一TEC。

在一实施方式中，所述第一光源为1550nm的信号光源，所述第二光源为1064nm的泵浦光源。

在一实施方式中，所述上转换单光子探测系统还包括第二温控装置，所述第二温控装置安装在所述上转换波导的周围，以对所述上转换波导的温度进行采集和调节。

在一实施方式中，所述第二温控装置包括第二热敏电阻和第二TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第二温控器，所述第二温控器包括第二ADC、第二FPGA、第二DAC和第二TEC驱动芯片，所述第二ADC的输入端连接所述第二热敏电阻，所述第二ADC的输出端连接所述第二FPGA的输入端，所述第二FPGA的输出端连接通过所述第二DAC连接所述第二TEC驱动芯片，所述第二TEC驱动芯片驱动连接所述第二TEC。

在一实施方式中，所述上转换单光子探测系统还包括第三温控装置，所述第三温控装置安装在所述第二光源的周围，以对所述第二光源的温度进行采集和调节。

在一实施方式中，所述第三温控装置包括第三热敏电阻和第三TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第三温控器，所述第三温控器包括第三ADC、第三FPGA、第三DAC、第三TEC驱动芯片和恒流源驱动芯片，所述第三ADC的输入端连接所述第三热敏电阻，所述第三ADC的输出端连接所述第三FPGA的输入端，所述第三FPGA的输出端连接通过所述第三DAC连接所述第三TEC驱动芯片和所述恒流源驱动芯片，所述第三TEC驱动芯片驱动连接所述第三TEC，所述恒流源驱动芯片驱动连接所述第二光源。

在一实施方式中，所述雪崩二极管为硅雪崩二极管，所述上转换单光子探测系统还包括二极管控制装置，所述二极管控制装置连接所述硅雪崩二极管，以控制所述硅雪崩二极管进行单光子探测。

在一实施方式中，所述二极管控制装置包括计数信号处理模块、温控模块、主动淬灭模块、快速恢复模块和第四FPGA，所述计数信号处理模块的输入端连接所述硅雪崩二极管，所述计数信号处理模块的输出端连接所述第四FPGA的输入端，所述第四FPGA的输出端分别通过温控模块、主动淬灭模块和快速恢复模块连接所述硅雪崩二极管。

在一实施方式中，所述上转换波导为脊型波导。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本实用新型提供的上转换单光子探测系统包括：第一光源、第二光源、波分复用器、上转换波导、超窄带滤波器和雪崩二极管；第一光源通过光纤连接波分复用器的第一输入端，第二光源通过光纤连接波分复用器的第二输入端，波分复用器的输出端通过光纤连接上转换波导的一端，上转换波导的另一端通过光纤连接超窄带滤波器的输入端，超窄带滤波器的输出端通过光纤连接雪崩二极管；上转换单光子探测系统还包括第一温控装置，第一温控装置安装在超窄带滤波器的周围，以对超窄带滤波器的温度进行采集和调节，不仅能够有效减少噪声，而且能够改善探测效率，促进了探测器在各种应用环境中的使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的实施例一提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例四提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图；

其中，1、第一光源，2、第二光源，3、波分复用器，4、上转换波导，5、超窄带滤波器，6、雪崩二极管，7、第一温控装置，71、第一热敏电阻，72、第一TEC，8、第一温控器，81、第一ADC，82、第一FPGA，83、第一DAC，84、第一TEC驱动芯片，9、第二温控装置，91、第二热敏电阻，92、第二TEC，10、第二温控器，101、第二ADC，102、第二FPGA，103、第二DAC，104、第二TEC驱动芯片，11、第三温控装置，111、第三热敏电阻，112、第三TEC，112、第三温控器，121、第三ADC，122、第三FPGA，123、第三DAC，124、第三TEC驱动芯片，125、恒流源驱动芯片，13、二极管控制装置，131、计数信号处理模块，132、温控模块，133、主动淬灭模块，134、快速恢复模块，135、第四FPGA。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

应当理解，当在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”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，在本实用新型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。

如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本实用新型说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本实用新型的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实用新型的实施例一提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图。如图1所示，该上转换单光子探测系统包括：第一光源1、第二光源2、波分复用器3、上转换波导4、超窄带滤波器5和雪崩二极管6，第一光源1通过光纤连接波分复用器3的第一输入端，第二光源2通过光纤连接波分复用器的第二输入端3，波分复用器3的输出端通过光纤连接上转换波导4的一端，上转换波导4的另一端通过光纤连接超窄带滤波器5的输入端，超窄带滤波器5的输出端通过光纤连接雪崩二极管6。其中，第一光源1输出信号光，第二光源2输出泵浦光，信号光和泵浦光进入上转换波导4，以完成信号光频率的调制等形成所需的单光子。

本实施例中，上述第一光源1可以为波长1550nm的信号光源，信号光源通过光纤进入波分复用器的第一输入端，第二光源2可以为波长1064nm的泵浦光源，利用1064nm的泵浦光源对1550nm的信号光源进行泵浦，光转换效率高、功耗低。泵浦光源通过光纤进入波分复用器的第二输入端。进一步地，该泵浦光源可以是使用单只大功率的1064nm蝶形激光器输出的光源，蝶形激光器具有输出光功率大，发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。

本实施例中，光纤可以采用与光源波长相匹配的单模光纤，单模光纤的使用可以降低成本，缩小系统光路体积。

第一光源1和第二光源2都通过光纤进入波分复用器3，并合成一束光从波分复用器3中输出。波分复用器3的输出端通过光纤连接上转换波导4的一端，以将从波分复用器3输出的合束光通过光纤进入上转换波导4中，在该上转换波导4中，借助非线性和频转换过程，第一光源1的光子和第二光源2的光子转化为能量更高的可见光光子，即经上转换的和频光。

在一实施方式中，本实用新型中上转换波导4为脊型波导，能够实现上转换功能。采用脊型波导相比于反质子交换法(Reverse Proton Exchange，RPE)等其他实现上转换功能的波导，该脊型波导能够承受更大的泵浦光功率等级，可有效提高探测效率，且在实验过程中不会出现RPE无法完全转化的问题。且上转换波导自身可实现10nm以内的窄带滤波，相比于铟镓砷探测器等直接探测1550nm信号光的设备来说，可有效减少1550nm附近的杂光干扰，且在白天具有更好的适应性。

1064nm的泵浦光源会造成上转换波导4的后级噪声较高，导致除了输出和频光之后，还存在剩余的泵浦光、泵浦光的二次谐波光子、三次谐波光子以及拉曼噪声等杂散光，进而通过在上转换波导4后增加超窄带滤波器5，以消除杂散光。

上转换单光子探测系统还包括第一温控装置7，第一温控装置7安装在超窄带滤波器5的周围，以对超窄带滤波器5的温度进行采集和调节。第一温控装置7包括升温和降温等多种温控功能，具体可以采用半导体制冷器(Thermoelectric cooler，TEC)设备。

第一温控装置7连接超窄带滤波器5，使得超窄带滤波器5具有控温功能，从而能够对超窄带滤波器5的温度进行调节。值得说明的是，虽然常规滤波器产品(nm级)可有效减少噪声，但仍旧会存在较高的噪声，优先的，在本实用新型中采用带宽控制在pm级的超窄线宽滤波器，可有效减少系统噪声。

如图1所示，具体的是，第一温控装置7包括第一热敏电阻71和第一TEC72，其中，第一热敏电阻71贴附在超窄带滤波器5上，第一TEC72也可以贴附在超窄带滤波器5上。在上述实施例一的基础上，上转换单光子探测系统还包括第一温控器8，第一温控器8包括第一模数转换器81(A/D转换器，ADC)、第一现场可编辑逻辑辑门阵列82(Field ProgrammableGate Array，FPGA)、第一数模转换器83(D/A转换器，DAC)和第一TEC驱动芯片84，第一ADC81的输入端连接第一热敏电阻71，用于采集第一光敏电阻71的温度信号，第一ADC81的输出端连接第一FPGA82的输入端，用于将温度信号反馈给第一FPGA82，第一FPGA82的输出端连接通过第一DAC83连接第一TEC驱动芯片84，用于通过控制第一DAC83的电压来驱动第一TEC驱动芯片84，第一TEC驱动芯片84驱动连接第一TEC72，用于控制第一TEC两端的电压，从而控制第一TEC的加热和制冷，以达到控制超窄带滤波器的温度的目的。

进一步的，第一热敏电阻可以为负温度系数热敏电阻(NTC，NegativeTemperature Coefficient)，在25℃时第一热敏电阻的电阻值为10K，采用负温度系数热敏电阻可以随着温度增大，电阻值减小，具有良好的耐压、耐电波动、耐冲击及抗老化性能。

参见图2，为本实用新型的实施例二提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图。在图1的基础上，上转换单光子探测系统还包括第二温控装置9，第二温控装置9安装在上转换波导4的周围，以对上转换波导4的温度进行采集和调节。第二温控装置9包括升温和降温等多种温控功能，具体可以采用TEC设备。

如图2所示，具体的是，第二温控装置9包括第二热敏电阻91和第二TEC92，其中，第二热敏电阻91贴附在上转换波导4上，第二TEC92也可以贴附在上转换波导4上。在上述实施例二的基础上，上转换单光子探测系统还包括第二温控器10，第二温控器10包括第二ADC101、第二FPGA102、第二DAC103和第二TEC驱动芯片104，第二ADC101的输入端连接第二热敏电阻91，用于采集第二光敏电阻91的温度信号，第二ADC101的输出端连接第二FPGA102的输入端，用于将温度信号反馈给第二FPGA102，第二FPGA102的输出端连接通过第二DAC103连接第二TEC驱动芯片104，用于通过控制第二DAC103的电压来驱动第二TEC驱动芯片104，第二TEC驱动芯片104驱动连接第二TEC92，用于控制第二TEC92两端的电压，从而控制第二TEC92的加热和制冷，以达到控制上转换波导4的温度的目的，进而能够满足上转换波导中非线性转换过程的准相位匹配条件，以达到最大转换效率。进一步的，第二热敏电阻可以为NTC。

参见图3，为本实用新型的实施例三提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图。在图2的基础上，上转换单光子探测系统还包括第三温控装置11，第三温控装置11安装在第二光源2的周围，以对第二光源2的温度进行采集和调节。第三温控装置11包括升温和降温等多种温控功能，具体可以采用TEC设备。

如图3所示，具体的是，第三温控装置11包括第三热敏电阻111和第三TEC112，其中，第三热敏电阻111贴附在第二光源2上，第三TEC112也可以贴附在第二光源2上。在上述实施例三的基础上，上转换单光子探测系统还包括第三温控器12，第三温控器12包括第三ADC121、第三FPGA122、第三DAC123、第三TEC驱动芯片124和恒流源驱动芯片125，第三ADC121的输入端连接第三热敏电阻111，用于采集第三热敏电阻111的温度信号，第三ADC121的输出端连接第三FPGA122的输入端，用于将温度信号反馈给第三FPGA122，第三FPGA122的输出端连接通过第三DAC123连接第三TEC驱动芯片124，用于控制第三DAC123来调节下发电压，从而控制第三TEC驱动芯片124驱动，第三TEC驱动芯片124驱动连接第三TEC112，用于驱动第三TEC驱动芯片124来控制第三TEC112的加热和制冷，从而达到控制第二光源2的温度的目的，第三FPGA122的输出端连接通过第三DAC123连接恒流源驱动芯片125，用于控制第三DAC123将功率控制信号转变为模拟量，进而通过模拟量控制恒流源驱动芯片125驱动，恒流源驱动芯片125驱动连接第二光源2，用于驱动恒流源驱动芯片125控制第二光源2的电流，从而达到控制第二光源2的功率的目的。

进一步的，本实用新型中的第三DAC可以采用低文波、高稳定度的DAC，第三热敏电阻可以用低温漂精密电阻。

参见图4，为本实用新型的实施例四提供的一种上转换单光子探测系统的结构示意图。在图3的基础上，上转换单光子探测系统还包括二极管控制装置13，二极管控制装置13连接雪崩二极管6，以控制雪崩二极管6进行单光子探测。二极管控制装置13包括计数、温控、主动淬灭和快速恢复等多种功能，能够带来高饱和计数率以及低后脉冲概率等优势。

如图4所示，具体的是，二极管控制装置13包括计数信号处理模块131、温控模块132、主动淬灭模块133、快速恢复模块134和第四FPGA135，计数信号处理模块131的输入端连接雪崩二极管6，用于探测经过和频转换的光子，以及检测雪崩二极管的阴极加载电压是否高于雪崩电压，当雪崩二极管的阴极加载电压高于雪崩电压时，光子射入雪崩二极管会发生雪崩，从而能够获取雪崩信号，计数信号处理模块131的输出端连接第四FPGA135的输入端，用于将雪崩信号反馈给第四FPGA135，第四FPGA135的输出端通过温控模块132连接雪崩二极管6，用于控制温控模块132来调节硅雪崩二极管6的温度，第四FPGA135的输出端通过主动淬灭模块133连接雪崩二极管6，用于控制主动淬灭模块133主动降低雪崩二极管6两端的电压差实现淬灭，第四FPGA135的输出端通过快速恢复模块134连接雪崩二极管6，用于控制快速恢复模块134在雪崩淬灭后，让雪崩二极管6快速恢复并进入检测阶段，等待接收即将到达的光子。进一步的，雪崩二极管可以为硅雪崩二极管，能够提供高的单光子探测效率以及超低噪声。

综上所述，本实用新型所提出的上转换单光子探测系统包括：第一光源、第二光源、波分复用器、上转换波导、超窄带滤波器和雪崩二极管；第一光源通过光纤连接波分复用器的第一输入端，第二光源通过光纤连接波分复用器的第二输入端，波分复用器的输出端通过光纤连接上转换波导的一端，上转换波导的另一端通过光纤连接超窄带滤波器的输入端，超窄带滤波器的输出端通过光纤连接雪崩二极管；上转换单光子探测系统还包括第一温控装置，第一温控装置安装在超窄带滤波器的周围，以对超窄带滤波器的温度进行采集和调节，不仅能够有效减少噪声，而且能够改善探测效率，促进了探测器在各种应用环境中的使用。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上转换单光子探测系统，其特征在于，所述上转换单光子探测系统包括：第一光源、第二光源、波分复用器、上转换波导、超窄带滤波器和雪崩二极管；

所述第一光源通过光纤连接所述波分复用器的第一输入端，所述第二光源通过光纤连接所述波分复用器的第二输入端，所述波分复用器的输出端通过光纤连接所述上转换波导的一端，所述上转换波导的另一端通过光纤连接所述超窄带滤波器的输入端，所述超窄带滤波器的输出端通过光纤连接所述雪崩二极管；

所述上转换单光子探测系统还包括第一温控装置，所述第一温控装置安装在所述超窄带滤波器的周围，以对所述超窄带滤波器的温度进行采集和调节。

2.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述第一温控装置包括第一热敏电阻和第一TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第一温控器，所述第一温控器包括第一ADC、第一FPGA、第一DAC和第一TEC驱动芯片，所述第一ADC的输入端连接所述第一热敏电阻，所述第一ADC的输出端连接所述第一FPGA的输入端，所述第一FPGA的输出端连接通过所述第一DAC连接所述第一TEC驱动芯片，所述第一TEC驱动芯片驱动连接所述第一TEC。

3.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述第一光源为1550nm的信号光源，所述第二光源为1064nm的泵浦光源。

4.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述上转换单光子探测系统还包括第二温控装置，所述第二温控装置安装在所述上转换波导的周围，以对所述上转换波导的温度进行采集和调节。

5.根据权利要求4所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述第二温控装置包括第二热敏电阻和第二TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第二温控器，所述第二温控器包括第二ADC、第二FPGA、第二DAC和第二TEC驱动芯片，所述第二ADC的输入端连接所述第二热敏电阻，所述第二ADC的输出端连接所述第二FPGA的输入端，所述第二FPGA的输出端连接通过所述第二DAC连接所述第二TEC驱动芯片，所述第二TEC驱动芯片驱动连接所述第二TEC。

6.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述上转换单光子探测系统还包括第三温控装置，所述第三温控装置安装在所述第二光源的周围，以对所述第二光源的温度进行采集和调节。

7.根据权利要求6所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述第三温控装置包括第三热敏电阻和第三TEC，所述上转换单光子探测系统还包括第三温控器，所述第三温控器包括第三ADC、第三FPGA、第三DAC、第三TEC驱动芯片和恒流源驱动芯片，所述第三ADC的输入端连接所述第三热敏电阻，所述第三ADC的输出端连接所述第三FPGA的输入端，所述第三FPGA的输出端连接通过所述第三DAC连接所述第三TEC驱动芯片和所述恒流源驱动芯片，所述第三TEC驱动芯片驱动连接所述第三TEC，所述恒流源驱动芯片驱动连接所述第二光源。

8.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述雪崩二极管为硅雪崩二极管，所述上转换单光子探测系统还包括二极管控制装置，所述二极管控制装置连接所述硅雪崩二极管，以控制所述硅雪崩二极管进行单光子探测。

9.根据权利要求8所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述二极管控制装置包括计数信号处理模块、温控模块、主动淬灭模块、快速恢复模块和第四FPGA，所述计数信号处理模块的输入端连接所述硅雪崩二极管，所述计数信号处理模块的输出端连接所述第四FPGA的输入端，所述第四FPGA的输出端分别通过温控模块、主动淬灭模块和快速恢复模块连接所述硅雪崩二极管。

10.根据权利要求1所述的上转换单光子探测系统，其特征在于，所述上转换波导为脊型波导。