[发明专利]一种小型化的上转换单光子探测器

说明书

本发明公开了一种小型化的上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、波分复用器、周期极化铌酸锂波导和光电二极管，其中，周期极化铌酸锂波导为在周期极化铌酸锂薄膜材料中的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导，泵浦光源为分布式反馈激光器。借助铌酸锂薄膜波导和特殊的泵浦光源，可以在实现上转换单光子探测器小型化的同时，获得良好的探测效率。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及基于周期极化铌酸锂薄膜波导实现的小型化的上转换单光子探测器。

背景技术

上转换单光子探测器是目前综合性能最优的室温单光子探测器，其核心是利用周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的上转换和频效应，将通信波段的光子高效率地转换到可见光波段，然后再利用高品质的硅雪崩光电二极管进行探测，充分利用了硅雪崩光电二极管高效率、低噪声的优势，其性能可满足长距离量子密钥分发的需求，而且适用于实际场景应用。

图1示出了一种已经实现商业化应用的上转换单光子探测器的原理图。如图1所示，1550nm信号光和1950nm泵浦光首先通过一个波分复用器进行合束，然后再经由保偏光纤耦合进入到周期极化铌酸锂波导中；周期极化铌酸锂波导通过一个热电冷却系统精确地控温以满足相位匹配条件，从而实现最高的非线性转化效率；从波导出射端输出的863.6nm和频光经过一个集成的光纤滤波器滤波后，再利用硅雪崩光电二极管进行探测。

现有的商用上转换单光子探测器采用的周期极化铌酸锂波导通过逆向质子交换法制备而成，其核壳折射率差异较小(Δn_e≈0.02

@1550nm)，波导的光学限域效应较弱，波导中光斑模式的尺寸较大，光强度较低，因此其相互作用强度较弱，非线性转化效率较低。为了实现较高的转化效率，就要求周期极化铌酸锂波导器件必须具备足够长的相互作用长度以及足够高的泵浦光功率。

在量子密钥分发系统中已经商用的四通道上转换单光子探测器如图2所示，在这种探测器中，1950nm泵浦光源是以单频连续保偏光纤激光器作为种子源，再经由掺铥光纤放大器放大产生的，而为了获得足够高的泵浦光功率，通常需要经过两级光功率放大过程，以保证四路输出光功率都能够达到300mW左右；此外，在这种探测器中，泵浦激光器作为独立模块存在，还需要独立的电控模块和散热模块；而且，由于探测器四个通道的PPLN波导对泵浦光功率的需求有所偏差，因此还需要在探测器中设置可调节光衰减器来调节每个通道的泵浦光功率，从而优化四路探测通道的探测效率；另外，为了保证探测器四个通道的探测效率保持不变，还需要在探测器中设置功率控制与调节模块以保证泵浦光的输出功率稳定，以上因素导致1950nm泵浦光源的结构冗杂、体积庞大，无法实现上转换单光子探测器的小型化。

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明提出在上转换单光子探测器中应用铌酸锂薄膜波导结构，以实现其小型化设计的基本构思。其中，针对特定的上转换单光子探测器使用环境，对铌酸锂薄膜波导的物理结构(形状及尺寸等)和制备工艺提出了创新性的设计方案，同时还在泵浦光源方面进行了优化设计，从而使得在获得小型化的上转换单光子探测器的同时，还能获得良好的探测效率。

与逆向质子交换波导相比，基于铌酸锂单晶薄膜的脊型波导具有更强的光学限域效应，其归一化转化效率比逆向质子交换波导高约两个数量级，因此泵浦光功率需求可以降低约两个量级。在基于铌酸锂单晶薄膜脊型波导的上转换单光子探测器中，1950nm的泵浦光源可以采用体积很小的分布式反馈激光器(必要时可以具有内置的半导体光放大器)代替，而不需要进行两级功率放大，最终上转换探测器体积可以减小至商用产品的约1/40。

具体而言，本发明涉及一种小型化的上转换单光子探测器，其包括泵浦光源、周期极化铌酸锂波导和光电二极管，其特征在于：所述周期极化铌酸锂波导为在经周期极化的铌酸锂薄膜材料中的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导；并且，所述泵浦光源为分布式反馈激光器。