[实用新型]基于全光纤器件的低噪声近红外上转换单光子探测器

说明书

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。