[实用新型]一种全光纤的偏振无关上转换单光子探测器

说明书

本实用新型涉及全光纤的偏振无关上转换单光子探测器，其中利用偏振分束单元将信号光分成两个线偏振光，并且利用波分复用单元和频率上转换单元的结合或者借助由光波导元件与周期极化铌酸锂波导集成形成的频率上转换模块实现信号光与泵浦光的上转换过程，最后借助光纤合束单元实现和频光的合束以用于单光子探测，借助这种组成使得能够以全光纤的形式实现偏振无关的上转换单光子探测器，同时使得探测器的光路结构简单、稳定性高且具有高的探测效率和低的功耗。

技术领域

本实用新型涉及量子通信领域，更具体地涉及全光纤的偏振无关单光子探测器。

背景技术

量子保密通信，在国防、公共安全和经济生活中都有重大应用意义，目前量子保密通信在实际应用中还有许多技术瓶颈限制其发展，其中之一通信波段的单光子探测技术不完美，限制了量子通信的传输距离和成码率，目前通信领域的单光子探测器主要有三类：超导探测器、铟镓砷雪崩光电二极管单光子探测器和上转换单光子探测器。超导探测器需要工作在液氦温度下，其体积庞大，成本高不利于大规模商用；铟镓砷雪崩光电二极管单光子探测器由于其材料与工艺的不完美，其探测器效率只能达到10%左右，而且其暗计数比较高；上转换单光子探测器是基于周期极化铌酸锂波导器件的频率转换型实用化单光子探测器，具有探测效率高（大于20%）、暗计数低和无需制冷剂等优点。

上转换探测器是利用非线性光学的和频过程，利用铌酸锂波导进行周期极化实现准相位匹配，将通信波段单光子上转换成为可见光单光子，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）和后脉冲概率低等优点，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。上转换探测器具有不需制冷剂、可集成、量子效率高等优势。

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。如图所示，泵浦光源输出1.95um的单频连续激光，信号光为近红外的单光子源，均采用保偏光纤输入或输出。周期极化铌酸锂（PPLN）波导需要进行温度控制，在满足准相位匹配条件下，信号光和泵浦光发生和频作用后转化成可见光波段的光信号，如此可以实现对近红外光信号到可见光波段的高效“搬运”。可见光波段信号光再通过一系列的滤波器件滤除各种噪声，然后接入硅探测器进行探测。

现有上转换单光子探测器在实际使用中，对被探测的信号光要求非常严格，其要求信号光的输入必须是垂直极化的线偏振光，偏振对比度大于20dB，且偏振状态须保持不变。这是因为基于周期极化铌酸锂波导的频率转换过程是偏振相关的，非垂直线偏振光或者偏振状态变化的信号光接入到该探测器系统中，会导致上转换探测器探测效率降低且不可控。上转换单光子探测器对输入信号光的偏振要求，在很大程度上限制了上转换探测器的使用范围，不利于上转换探测器的大规模商用。

在现有技术中，为了克服信号光偏振态对上转换单光子探测器工作效率的影响，设计出了与偏振无关的上转换单光子探测器结构。

图2示出了现有技术中的一种偏振无关上转换单光子探测器结构，其中引入偏振分束器将信号光分成两路偏振光，再利用两块PPLN波导、两套滤波系统、两个硅探测器对两路偏振信号光分别探测。这种结构由于需要两套上转换探测器组件，导致存在使用器件过多、结构复杂和成本过高等缺点。

针对图2所示探测器结构存在的问题，现有技术中提出了另一种偏振无关的上转换单光子探测器结构，如图3所示，该探测器将具有更为简化的结构和更高的探测效率。在图3所示的改进的偏振无关上转换单光子探测器中，其也是利用偏振分束器对信号光进行偏振分束，然后对其中一路的信号光做偏振调节使其与另一路偏振方向一致，再把两路相同偏振态的信号光以及泵浦光利用空间光路合成一束，使用透镜耦合进铌酸锂波导中进行频率上转换，进而完成单光子探测。然而，该方案完全基于自由空间光路，并且其两路信号光的偏振光的合束是在进入波导前端完成，系统搭建复杂并且稳定性差，不适合产品化。

实用新型内容