基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器的制造方法
【专利摘要】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集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器。该上转换单光子探测器包括：信号光、泵浦光、保偏光纤阵列、集成化的周期极化波导芯片、微型滤波模块和单光子计数模块；信号光为近红外的单光子源，采用保偏光纤输出；泵浦光为一个掺铥光纤激光器，输出单频连续激光，采用保偏光纤输出；信号光和泵浦光通过保偏光纤阵列连接集成化的周期极化波导芯片，集成化的周期极化波导芯片经单模或多模光纤连接微型滤波模块，微型滤波模块输出端通过单模或多模光纤连接单光子计数模块。本实用新型采用集成化波导芯片，省去波分复用器，减少插损的同时，也使得上转换探测器产品更加紧凑小型便携化。
【专利说明】
基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器
技术领域
[0001]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集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器。
【背景技术】
[0002]当前，国际上通用的近红外单光子探测器有三类: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。
[0003]超导单光子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，但商用超导单光子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。近年来，随着正弦门控和自差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，和2%以上的后脉冲也限制了其在量子保密通信中的应用。
[0004]上转换单光子探测器是通过非线性光学的和频过程，利用周期极化波导，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。目前利用周期极化波导的上转换单光子探测器已经可以满足常温下百公里量子保密通信的商用需求。
[0005]在使用周期性极化铌酸锂(PPLN)波导时会利用光纤尾纤与波导进行耦合连接，将信号光和栗浦光通过光纤引入波导。现有的技术方案是先将信号光与栗浦光用波分复用器合成一束进入一根尾纤，再优化该尾纤与波导的连接实现信号光的高效耦合。因为不同波长的光束实现最大耦合效率需要不同宽度的模式过滤器，现有的方案牺牲了栗浦光的耦合效率。
[0006]图1是现有技术中的全光纤上转换单光子探测器架构。栗浦光源为一个掺铥光纤激光器，输出1.95um的单频连续激光，采用保偏光纤输出。信号光为近红外的单光子源，同样采用保偏光纤输出。栗浦光和信号光经保偏波分复用器合成一束，并经由保偏尾纤输入到周期极化铌酸锂波导芯片中。
[0007]周期极化铌酸锂波导芯片为直波导芯片，如图2所示，由模式过滤器、锥形波导和周期极化波导组成。锥形波导是设计宽度沿长度方向变化的波导，用于将两段不同宽度的波导渐变地连接。锥形波导连接模式过滤器与周期极化波导，可以使光束进入周期极化波导后仍保持在基模，以便获得最大的非线性转换效率。该波导芯片采用双端光纤耦合，入射端为单根保偏光纤，出射端为单根单模或多模光纤。近红外的信号光在周期极化波导中实现和频转换后，通过微型滤波模块滤除噪声，再利用硅雪崩二极管单光子探测器进行探测。
[0008]综上所述，目前上转换单光子探测器的核心器件是用于频率转换的周期性极化铌酸锂波导。为了简洁高效地使用波导，需要把波导芯片与光纤进行耦合。耦合的原理是利用波导芯片中的模式过滤器，使得从光纤中出射的光斑模式与模式过滤器所允许导通的本征模式最大程度地重叠，从而使得光纤中的光束最大程度地耦合进入波导芯片。对于不同波长的光波，其所需要的模式过滤器宽度是不同的。现有的上转换波导芯片入射端是单一宽度的模式过滤器，当保证信号光最高效率耦合时，栗浦光损耗很大；当保证栗浦光耦合最佳时，信号光又会损失很多，造成探测器的探测效率下降。
【发明内容】
[0009]本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，该基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，兼顾了信号光与栗浦光的耦合，可以节省波分复用器的使用，通过合理布局构成的上转换单光子探测器在提高探测效率的同时，降低了所需的栗浦光功率，且可以将上转换探测器产品小型化、便携化。
[0010]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0011]—种基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，包括:信号光、栗浦光、微型滤波模块和单光子计数模块;信号光为近红外的单光子源，采用保偏光纤输出；栗浦光为一个掺铥光纤激光器，输出单频连续激光，采用保偏光纤输出；微型滤波模块输出端通过单模或多模光纤连接单光子计数模块，其特征在于，还包括:保偏光纤阵列和集成化的周期极化波导芯片，信号光和栗浦光通过保偏光纤阵列连接集成化的周期极化波导芯片，集成化的周期极化波导芯片经单模或多模光纤连接到微型滤波模块。
[0012]进一步地，所述集成化波导芯片包括第一模式过滤器、第二模式过滤器、第一锥形波导、第二锥形波导、弯道波导、过渡直波导、方向耦合器、第三锥形波导和周期极化波导；第一模式过滤器、第一锥形波导、弯道波导及方向耦合器依次连接;第二模式过滤器、第二锥形波导、过渡直波导及方向耦合器依次连接;方向耦合器、第三锥形波导和周期极化波导依次连接;该集成化波导芯片分别通过第一模式过滤器和第二模式过滤器耦合输入经所述保偏光纤阵列输出的栗浦光和信号光。
[0013]进一步地，所述第一模式过滤器与所述第一锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第一锥形波导出射端与所述弯道波导的波导宽度相同;所述方向耦合器由间距恒定且宽度相等的两段平行直波导组成，每段直波导宽度为所述方向耦合器的波导宽度;所述方向耦合器的波导宽度与所述弯道波导的波导宽度相同；所述栗浦光通过所述方向耦合器耦合进入所述周期极化波导中；所述第二模式过滤器与所述第二锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第二锥形波导出射端与所述过渡直波导及所述方向耦合器的波导宽度相同；所述栗浦光与信号光合成一束后再通过所述第三锥形波导进入所述周期极化波导;所述方向耦合器与所述第三锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第三锥形波导出射端与所述周期极化波导的波导宽度相同。
[0014]优选地，所述波导芯片为逆向质子交换铌酸锂波导芯片。
[0015]更进一步地，所述集成化波导芯片中，所述模式过滤器的波导宽度为Ι-lOum，所述弯道波导的波导宽度为3-15um，其最小弯曲半径大于0.5mm，所述方向親合器的波导宽度为3-15um，其两段平行直波导的中心间距为O-lOum，所述周期极化波导的波导宽度为3-20umo
[0016]优选地，所述作为栗浦光的掺铥光纤激光器输出1.8-2.5um波段的单频连续激光。
[0017]优选地，所述信号光为0.9-1.9um近红外单光子光源。
[0018]本实用新型的有益效果是:
[0019]1、本实用新型基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器解决了栗浦光与信号光从光纤进入波导芯片时，不能同时实现最大效率耦合的难题。
[0020]2、本实用新型基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器在保证信号光损耗最小的前提下，降低了所需要的栗浦光功率，降低了上转换单光子探测器的成本。
[0021]3、采用集成化波导芯片，省去了波分复用器，减少插损的同时，也使得上转换探测器产品更加紧凑、小型、便携化。
【附图说明】
[0022]图1为现有技术中全光纤上转换单光子探测器的结构示意图；
[0023]图2为现有技术中周期极化铌酸锂波导芯片的结构示意图；
[0024]图3为本实用新型基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器的结构示意图；
[0025]图4为本实用新型集成化的周期极化铌酸锂波导芯片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明，图1至图4中相关注释如下:
[0027]1.95um pump: 1.95um栗浦光激光器;PMF:保偏光纤;MMF:多模光纤;PPLN WG 1:周期极化铌酸锂波导芯片I; SMF:单模光纤;WDM:波分复用器;SPCM:单光子计数模块;Signal:信号光;PM FA:保偏光纤阵列;PPLN WG 2:周期极化铌酸锂波导芯片2。
[0028]本实用新型的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器解决了栗浦光与信号光从光纤进入波导芯片时，不能同时实现最大效率耦合的难题。基于集成化波导技术的全光纤上转换单光子探测器，在保证信号光损耗最小的前提下，降低了所需要的栗浦光功率，从而降低了产品的成本。另外，集成化波导芯片工作时不需要波分复用器，在减少插损的同时，也使得上转换探测器产品更加紧凑、小型、便携化。
[0029]本实用新型的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，采用了以下技术方案:
[0030]如图3所示:本实用新型的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，包括:信号光、栗浦光、保偏光纤阵列、集成化的波导芯片、微型滤波模块和单光子计数模块;图中栗浦光源为一个掺铥光纤激光器，输出2um波段(1.8-2.5um)的单频连续激光，采用保偏光纤输出。信号光为近红外的单光子源(0.9-1.9um)，同样米用保偏光纤输出。本方案不再需要波分复用器，信号光与栗浦光直接输入到集成化的波导芯片中，该波导芯片采用双端光纤耦合，入射端是中心间距为126±lum的两根裸纤组成的保偏光纤阵列，出射端是单模或多模光纤。
[0031]如图4所示:集成化的波导芯片包括第一模式过滤器、第二模式过滤器、第一锥形波导、第二锥形波导、弯道波导、过渡直波导、方向耦合器、第三锥形波导和周期极化波导；该集成化的波导芯片分别通过第一模式过滤器和第二模式过滤器耦合输入经所述偏光纤阵列输出的栗浦光和信号光。第一模式过滤器和第二模式过滤器分别针对栗浦光和信号光设计，可以同时实现栗浦光与信号光高效率从光纤耦合进入波导芯片。其中，栗浦光经过第一模式过滤器后通过第一锥形波导连入弯道波导，无损地进入方向耦合器。第一模式过滤器与第一锥形波导入射端的波导宽度相同，第一锥形波导出射端与弯道波导的波导宽度相同。方向耦合器由间距恒定且宽度相等的两段平行直波导组成，每段直波导宽度即为方向耦合器的波导宽度。方向耦合器的波导宽度与弯道波导的波导宽度相同。通过方向耦合器可以使栗浦光耦合进入后续的周期极化波导中。信号光经第二模式过滤器后通过第二锥形波导和过渡直波导进入方向耦合器，通过方向耦合器可以基本无损地传输进入周期极化波导中。第二模式过滤器与第二锥形波导入射端的波导宽度相同，第二锥形波导出射端与过渡直波导及方向耦合器的波导宽度相同。通过以上设计，栗浦光和信号光可以近乎无损地耦合成一束，实现了波分复用器的功能。栗浦光与信号光合成一束后再通过第三锥形波导进入周期极化波导，发生非线性频率转换。方向耦合器与第三锥形波导入射端的波导宽度相同，第三锥形波导出射端与周期极化波导的波导宽度相同。如果第一模式过滤器与弯道波导的波导宽度相同，或者第二模式过滤器与方向耦合器的波导宽度相同，或者方向耦合器与周期极化波导的波导宽度相同，则相关锥形波导相当于过渡直波导。
[0032]图4中(按实施例2波导设计作图)，集成化的波导芯片中各部分波导的设计宽度依赖于铌酸锂波导的类型和波长。对于典型的逆向质子交换类型的铌酸锂波导和近红外波段光子，模式过滤器的波导设计宽度范围可为l-10um，弯道波导的设计宽度范围可为3-15um，最小弯曲半径范围可为>0.5mm，方向親合器的波导设计宽度范围可为3-15um，方向親合器的两段平行直波导的中心间距设计值范围可为O-lOum，周期极化波导的设计宽度范围可为3-20um。具体所需的参数值取决于逆向质子交换的工艺配方。
[0033]具体实施例如下:
[0034]实施例1
[0035]栗浦光波长为1.95um，使用宽度为7um的第一模式过滤器，信号光波长为1.55um，使用宽度为5um的第二模式过滤器，从而可以同时保证栗浦光与信号光的高效耦合。一方面，栗浦光经过一段锥形波导(该锥形波导与第一模式过滤器及弯道波导宽度一致)后进入宽度为7um的弯道波导，再通过宽度为7um，波导中心间距为4um，长度为2mm的方向親合器全部进入信号光所在的波导路径;另一方面，信号光也经过一段锥形波导后进入宽度为7um的过渡直波导，几乎不耦合进入栗浦光所在的波导路径。这样，栗浦光与信号光便耦合成一束，再经过一段锥形波导，一起进入宽度为12um的周期极化铌酸锂波导，发生非线性频率转换。
[0036]实施例2
[0037]栗浦光波长为1.95um，使用宽度为7um的第一模式过滤器，信号光波长为1.3um，使用宽度为4um的第二模式过滤器，从而可以同时保证栗浦光与信号光的耦合效率。一方面，栗浦光经过一段锥形波导(该锥形波导与第一模式过滤器及弯道波导宽度一致)后随后进入宽度为7um的弯道波导，再通过宽度为7um，波导中心间距为4um，长度为2mm的方向耦合器全部进入信号光所在的波导路径;另一方面，信号光经过一段锥形波导后进入宽度为7um的过渡直波导，几乎不耦合进入栗浦光所在的波导路径。这样，栗浦光与信号光便耦合成一束，再经过一段锥形波导，一起进入宽度为12um的周期极化铌酸锂波导，发生非线性频率转换。
[0038]综上所述，本实用新型记载了基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器。本实用新型的基于集成化波导技术解决了不能兼顾栗浦光与信号光从光纤进入波导，同时实现最大效率耦合的问题，在保证信号光损失最小的前提下，降低了所需要的栗浦光功率，从而降低了上转换单光子探测器的成本。采用全光纤器件技术，省去了波分复用器，减少插损的同时，也使得上转换探测器产品更加紧凑、小型、便携化。
[0039]本技术方案的适用范围不限于逆向质子交换(RPE)铌酸锂波导，也适用于退火质子交换(APE)铌酸锂波导，气相质子交换铌酸锂波导，以及钛扩散、锌扩散等类型的各种离子扩散型铌酸锂波导和激光直写波导等。不限于铌酸锂材料，也适用于PPKTP的各类型波
B
寸ο
[0040]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【主权项】
1.一种基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，包括:信号光、栗浦光、微型滤波模块和单光子计数模块;信号光为近红外的单光子源，采用保偏光纤输出；栗浦光为一个掺铥光纤激光器，输出单频连续激光，采用保偏光纤输出;微型滤波模块输出端通过单模或多模光纤连接单光子计数模块，其特征在于，还包括:保偏光纤阵列和集成化的周期极化波导芯片，信号光和栗浦光通过保偏光纤阵列连接集成化的周期极化波导芯片，集成化的周期极化波导芯片经单模或多模光纤连接到微型滤波模块。2.根据权利要求1所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述集成化波导芯片包括第一模式过滤器、第二模式过滤器、第一锥形波导、第二锥形波导、弯道波导、过渡直波导、方向耦合器、第三锥形波导和周期极化波导;第一模式过滤器、第一锥形波导、弯道波导及方向耦合器依次连接;第二模式过滤器、第二锥形波导、过渡直波导及方向耦合器依次连接;方向耦合器、第三锥形波导和周期极化波导依次连接;该集成化波导芯片分别通过第一模式过滤器和第二模式过滤器耦合输入经所述保偏光纤阵列输出的栗浦光和信号光。3.根据权利要求2所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述第一模式过滤器与所述第一锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第一锥形波导出射端与所述弯道波导的波导宽度相同；所述方向耦合器由间距恒定且宽度相等的两段平行直波导组成，每段直波导宽度为所述方向耦合器的波导宽度;所述方向耦合器的波导宽度与所述弯道波导的波导宽度相同；所述栗浦光通过所述方向耦合器耦合进入所述周期极化波导中；所述第二模式过滤器与所述第二锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第二锥形波导出射端与所述过渡直波导及所述方向耦合器的波导宽度相同;所述栗浦光与信号光合成一束后再通过所述第三锥形波导进入所述周期极化波导;所述方向耦合器与所述第三锥形波导入射端的波导宽度相同，所述第三锥形波导出射端与所述周期极化波导的波导宽度相同。4.根据权利要求1所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述波导芯片为逆向质子交换铌酸锂波导芯片。5.根据权利要求2或3所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述波导芯片为逆向质子交换铌酸锂波导芯片。6.根据权利要求5所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述集成化波导芯片中，所述模式过滤器的波导宽度为l-10um，所述弯道波导的波导宽度为3_15um，其最小弯曲半径大于0.51111]1，所述方向親合器的波导宽度为3-15111]1，其两段平行直波导的中心间距为O-lOum，所述周期极化波导的波导宽度为3-20umo7.根据权利要求1所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述作为栗浦光的掺铥光纤激光器输出I.8-2.5um波段的单频连续激光。8.根据权利要求1所述的基于集成化波导芯片的全光纤上转换单光子探测器，其特征在于:所述信号光为0.9-1.9um近红外单光子光源。
【文档编号】H01S3/067GK205666427SQ201620370127
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】马飞, 郑名扬, 谢秀平, 张强
【申请人】山东量子科学技术研究院有限公司, 中国科学技术大学