專利名稱：光通信波段單光子高效率探測的方法
技術領域：
本發明涉及量子光學應用領域，應用于量子保密通信系統中，具體的是光通信波段單光子信號通過非線性頻率上轉換實現單光子高效率探測的方法。
背景技術：
光通信波段的信號是指在中紅外波段的1.3μm和1.5μm的信號光，因為與其它波段相比，光纖對這兩個波段的損耗和色散的影響最小，所以特別能夠適用于單光子信號長距離的光纖傳輸。然而，在量子保密通信系統中，我們需要將信號光強度降低到單光子水平，由于在光通信波段的單光子探測器的性能不佳，光通信波段信號的優越性被大大削弱。現在，用于單光子探測的主要是半導體雪崩光電二極管探測器APDs，APDs即雪崩光電二極管探測器。當用于單光子探測的時候，雪崩光電二極管工作在蓋格模式下，其工作電壓大于APDs的雪崩電壓。在目前的光通信波段(包括1.3μm和1.5μm)使用的是鍺雪崩光電二極管或者銦鎵砷雪崩光電二極管，它們的性能類似。以銦鎵砷雪崩光電二極管為例，普遍使用的銦鎵砷APDs探測器的量子效率通常小于10％，暗計數高達每秒104-105。除此以外，銦鎵砷APDs探測器有十分嚴重的后脈沖，這個缺點影響了其在高重復頻率工作的性能，因此通常只能工作在低重復頻率的門限模式下。為了盡量降低銦鎵砷APDs的暗計數，通常還要用半導體制冷裝置或者液氮制冷控制APDs在低溫條件下工作。相比之下，工作在近紅外波段的硅雪崩光電二極管凸顯出其簡單、高效的優勢。硅APDs的探測效率一般可以達到70％--80％，暗計數小于每秒100次，并且工作時產生的后脈沖可以抑制。因此，硅的APDs探測器可以對單光子信號實現高速率高效率的探測，工作重復頻率可以達到10MHz以上。
可以預見，如果能將光通信波段在傳輸方面的優點和硅雪崩光電二極管在探測方面的優點結合起來，必將使量子保密通信的傳輸距離，量子密鑰分發的成碼率等性能都得到顯著的提高。其中一個最為關鍵的問題就是如何將光通信波段的單光子信號光高效率地轉換到可見光波段(單光子非線性頻率上轉換)。在光學領域，通常利用非線性效應(如非線性和頻或者差頻等)實現光頻率的轉換。在理論上可以證明應用強泵浦光和單光子信號光在非線性晶體中作用，可以實現光通信波段單光子信號轉移至近紅外波段信號。也可以證明，在頻率上轉換的過程中當轉換效率達到最大的時候，在實現頻率上轉移的同時也實現了量子特性的轉移，這一點對于本發明應用于量子保密通信系統也是很重要的。
為了實現有效的非線性頻率上轉換，盡量提高有效入射非線性晶體的泵浦光強度是必要的。通常使用的方法是，將泵浦光注入一個外置的諧振腔，用反饋伺服控制系統控制其中一面腔鏡，使得諧振腔的諧振頻率與泵浦光的頻率相匹配，達到腔內功率增強的效果。放置在這個外腔中的非線性晶體可以獲得數十倍于泵浦光的有效入射光強度。然而，這種方法有一個顯著的缺點由于外置諧振腔是無源腔，為了實現諧振頻率與泵浦光頻率的鎖定，就必須依賴伺服系統鎖定腔的諧振頻率。這樣就會大大增加系統的復雜程度和調整難度，系統的穩定性也難以得到提高。
發明內容
本發明是為了克服上述現有技術中外置諧振腔的不足而提出一種光通信波段單光子高效率探測的方法，該方法在實現量子特性轉移的前提下，利用非線性光學過程，將光通信波段的單光子信號光高效率地頻率上轉換到近紅外波段，最后用硅雪崩光電二極管實現單光子信號的高效率探測。通過這樣的處理方法，我們就能夠將光通信波段的傳輸優勢和硅雪崩光電二極管的探測優勢結合起來，使高效的單光子頻率轉換、靈敏的探測應用于量子保密通信領域，從而發展出適用于量子保密通信系統的高效單光子靈敏探測技術。
本發明目的實現由以下技術方案完成
一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，然后調整信號光與腔內泵浦光在非線性晶體中重合，并滿足相位匹配條件，使得作為信號光的單光子源與泵浦光發生和頻，再用色散元件將出射光各頻譜成份分開，濾出轉換后的近紅外波段單光子信號光成分，之后用硅APDs進行探測。
作為信號光的單光子指的是光通信波段單光子。非線性晶體指的是有二階非線性效應，并且通光波段包含泵浦光，入射信號光和轉換后信號光波長的非線性晶體。所述的相位匹配條件是指是角度相位匹配或者是準相位匹配，其中的角度相位匹配是選擇特定的非線性晶體切割角度，使得在非線性晶體中，泵浦光與入射信號光的波矢量疊加后與轉換后信號光的波矢量相等；其中的準相位匹配是對非線性晶體作周期極化，特定的極化周期可以對應實現特定波長的泵浦光和入射信號光的相位匹配。
本發明的優點是，成功的將非線性光學頻率轉換引入量子保密通信系統，通過頻率上轉換將單光子水平的信號光頻率轉移到近紅外波段，可控制頻率轉換效率接近100％。用硅雪崩光電二極管代替銦鎵砷雪崩光電二極管探測，可以大大提高探測性能。探測性能的提高會對量子保密通信系統的工作技術指標，比如通信距離，量子密鑰分發的成碼率，通信速率等帶來跨越式的提高。將非線性晶體放置在產生泵浦光的諧振腔內，一方面可以克服系統調試的難度，同時也可以提高頻率轉換的穩定性。
附圖概述附
圖1為本發明泵浦光為連續光的實施例示意方框圖附圖2為本發明泵浦光為脈沖光的實施例示意方框圖附圖3為本發明實施例1的基本光路圖；附圖4為本發明實施例2的基本光路圖；附圖5為本發明實施例3的基本光路圖；具體技術方案以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解在本實施例中光通信波段1.5μm以1550nm為例，1.3μm以1310nm為例，附近其他波段與這兩個波段的實現方法一致；本發明中泵浦光源以半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器為例，典型波長為1064nm和1342nm，其他類型泵浦源與泵浦光波長與發明實施例中實現方法一致。非線性晶體的相位匹配條件主要有晶體的切割角度，晶體的工作溫度；如果是PPLN晶體，還與晶體的反轉周期等有關。
產生泵浦光的諧振腔，其輸出鏡的透射率通常為百分之幾或百分之十幾，則諧振腔內的光強可以達到出射光強的十幾倍甚至幾十倍。將非線性晶體置于此諧振腔內，可以得到高于出射光強度1-2個數量級的有效入射光強度。由于將非線性晶體置于泵浦光的有源腔中，不需要附加的裝置就能獲得高穩定的入射泵浦光功率，這也能大大提高頻率轉換的穩定度。
在本實施例方案中，由于非線性晶體放置在泵浦光的有源諧振腔中，連續或者脈沖的泵浦光都可以應用于本發明的頻率轉換。為了實現充分的頻率轉換，信號光和泵浦光在時間上也要實現重合。如果泵浦光是連續的，那么入射的頻率轉換前的信號光可以是連續的也可以是脈沖的；如果泵浦光是脈沖的，入射的單光子信號也只能是脈沖的，這樣才有可能實現時間上的重合。技術實現的簡單示意圖如圖1、2所示(1)泵浦光是連續光按照圖1所示，泵浦光包含在轉換系統2中。此時，因為泵浦光是連續的，所以連續的或者脈沖的單光子信號都可以實現頻率轉換。但是，因為連續的泵浦光很難達到很高的功率，所以此時對轉換系統2中使用的非線性晶體的有效非線性系數要求比較高，如PPLN(周期極化的鈮酸鋰)晶體、PP-MgO:LN(周期極化的摻氧化鎂的鈮酸鋰)晶體等周期極化的準相位匹配非線性晶體。
(2)泵浦光是脈沖光依照圖2所示，脈沖泵浦光包含在轉換系統2*中。此時，入射的單光子信號1*是脈沖的。為了使泵浦光、信號光和探測器在時間上達到同步，這里用時鐘5來進行控制單光子信號的觸發，脈沖泵浦光的觸發以及探測系統的觸發時刻，并且考慮到事件發生的先后，加入延時，目的是保證泵浦光脈沖與信號光脈沖時間上精確重合，保證探測器也準時的響應。由于脈沖泵浦光可以有很高的峰值功率，相應地，非線性晶體的有效非線性系數不需要很高，如BIBO(硼酸鉍)晶體。
如圖3-5所示，標號1-20分別為光纖準直器1準直距離滿足使準直后的高斯光束束腰落在非線性晶體中心；平面激光腔反射鏡2兩面鍍增透膜@入射信號光波段，靠近非線性晶體一面鍍高反膜@泵浦光波段；非線性晶體3滿足相位匹配條件，可以實現本發明中需要的信號光頻率轉移的非線性晶體，比如BIBO晶體、PPLN晶體或者PP-MgO:LN晶體等，工作溫度精確控制；分光棱鏡4布儒斯特角石英棱鏡；泵浦源5光纖耦合輸出的LD(半導體激光二極管激光器)。發射波長為808nm，最大輸出功率20W。由光學聚焦系統耦合到激光增益介質上；凹面激光腔反射鏡6兩面鍍增透膜@808nm，曲面鍍高反膜@泵浦激光波長，曲率半徑R＝-100mm；激光增益晶體7摻Nd3+離子激光增益介質，(如Nd3+:GdVO4，Nd3+:YVO4)長度為3mm，兩面鍍增透膜@腔內泵浦激光波段，摻雜濃度為1％；凹面激光腔反射鏡8兩面鍍增透膜@入射信號光波段，曲面鍍高反膜@腔內泵浦光波段，反射率為98％，曲率半徑R＝-500mm；光闌9狹縫光闌；濾光系統10包括以轉換后信號光波長為中心的帶寬為10nm的干涉濾光片和鍍0°入射高反膜@泵浦光波長和兩面增透膜@轉換后信號光波長的平面反射鏡各一片；
探測器11硅雪崩光電二極管，工作在單光子計數模式下；光纖偏振控制器12用于控制光纖出射光的偏振方向；收集透鏡13焦距50mm左右，兩面鍍頻率轉換后信號光波段增透膜；光隔離器14只允許光單方向(順時針或逆時針)通過的器件，工作波長在泵浦光波段；主動調Q元件15工作波長與泵浦光波長一致的聲光或者電光調Q開關；主動鎖模元件16用于實現腔內主動鎖模的聲光或者電光調制器，工作波長@泵浦光波長。
平面腔鏡17泵浦光波段激光高反鏡，反射率大于99.9％。兩表面鍍有泵浦源808nm的增透膜；耦合輸入腔鏡18平面激光反射鏡，在泵浦光波段反射率95％；凹面激光腔鏡19曲率半徑R＝-75mm，曲面鍍泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，兩面鍍頻率轉移前信號光波段的增透膜；凹面激光腔鏡20曲率半徑R＝-75mm，曲面鍍泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，兩面鍍頻率轉移后信號光波段的增透膜；實施例1.1實現本實施例的結構示意圖如圖3所示，諧振腔包括兩面平面反射鏡和兩面凹面反射鏡，構成一個環形諧振腔，滿足諧振腔穩定條件。該環形諧振腔是用于產生泵浦光的有源腔，既在腔內得到泵浦光，同時也在腔內實現頻率轉換。1064nm的泵浦光由固體釹離子激光器產生。光纖耦合輸出的半導體二極管激光器產生最大出射功率為20W的808nm激光5由光學系統聚焦在釹離子激光增益晶體7上，在環型的激光諧振腔中實現激光振蕩。在腔內插入光隔離器，這樣可以在環形腔內實現泵浦光的單縱模行波振蕩。腔內1064nm激光功率的大小可以通過改變由LD發出的808nm泵浦光5功率進行調節。此方案中使用的40mm長非線性晶體PPLN，兩面鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既為了減少弱光信號損耗，也是減少諧振腔的插入損耗。
PPLN晶體利用了準相位匹配相互作用，選擇了特定的極化周期來實現泵浦光1064nm與入射信號光1550nm和頻相互作用得到轉換后信號光631nm，有效非線性系數約為16pm/V。本實施例中采用的PPLN晶體的極化周期為11.80μm或12.0μm。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經過光纖偏振控制器12調整偏振于諧振腔內1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經過準直器1后，入射到非線性晶體3上，準直的束腰落在非線性晶體的中間位置。非線性晶體的溫度被精確控制，偏差小于0.1℃。仔細調整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內的1064nm光場很好的重合。這樣，強的1064nm泵浦光和弱的1550nm信號光在非線性晶體里相互作用，入射的1550nm的信號光頻率上轉換為631nm的信號光。控制腔內有效入射非線性晶體的泵浦光強度，使得轉換效率達到最大同時也實現了量子態轉移。為了減小弱光信號(包括頻率轉換前的1550nm信號和頻率轉換后的631nm信號)損耗，在其經過的元件上都鍍有相應的增透膜。轉換后的631nm信號光與1064nm的泵浦光一同輸出諧振腔外，經過分光棱鏡在空間上分離，通過濾光系統與光闌將631nm的信號光分離出來，并用收集透鏡將信號光收集，保證能夠射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs進行探測。
實施例1.2與實施例1.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應的轉換后信號波段為587nm。實施例1.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應調整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為587nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為587nm，反射鏡增透膜波長調整為587nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例1.1相同。
實施例1.3與實施例1.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm，光隔離器的工作波長調整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為719nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為719nm，反射鏡增透膜波長調整為719nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例1.1相同。
實施例1.4與實施例1.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm，光隔離器的工作波長調整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，實施例1.1中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為663nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為663nm，反射鏡增透膜波長調整為663nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與與實施例1.1相同。
實施例2.1如圖4所示，實施例中，1064nm的泵浦光由固體釹離子激光器產生。光纖耦合輸出的半導體二極管激光器產生最大出射功率為20W的激光5由光學系統聚焦在釹離子激光增益晶體7上，在L型的激光諧振腔中實現激光振蕩。L型的激光諧振腔是由兩面凹面激光腔反射鏡6和8和一面平面激光腔反射鏡2構成，兩臂之間的夾角大約為18°。激光腔結構滿足穩定的諧振腔條件。凹面激光腔反射鏡8對1064nm激光的反射率為98％，由于沿諧振腔兩臂的方向都有激光出射，其總的耦合輸出率約為3％，腔內激光為線偏振。如果諧振腔的1064nm輸出光功率為3W時，則腔內的功率為100W。腔內1064nm激光功率的大小可以通過改變由LD發出的808nm泵浦光5功率進行調節。因為諧振腔內光束的光斑尺寸在靠近平面激光腔反射鏡2的位置上比較小，將非線性晶體3放置于此處能得到較大的入射光功率密度。此方案中使用的40mm長非線性晶體PPLN兩面鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm，既為了減少弱光信號損耗，也是減少諧振腔的插入損耗。
PPLN晶體利用了準相位匹配相互作用，選擇了特定的極化周期來實現泵浦光1064nm與入射信號光1550nm和頻相互作用得到轉換后信號光631nm，有效非線性系數約為16pm/V。極化周期與實施例1.1相同。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經過光纖偏振控制器12調整偏振于諧振腔內1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經過準直器1后，入射到非線性晶體3上，準直的束腰落在非線性晶體的中間位置。非線性晶體的溫度被被精確控制，偏差小于0.1℃。仔細調整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內的1064nm光場很好的重合。這樣，強的1064nm泵浦光和弱的1550nm信號光在非線性晶體里相互作用，入射的1550nm的信號光頻率上轉換為631nm的信號光。控制腔內有效入射非線性晶體的泵浦光強度，使得轉換效率達到最大同時也實現了量子態轉移。為了減小弱光信號(包括頻率轉換前的1550nm信號和頻率轉換后的631nm信號)損耗，在其經過的元件上都鍍有相應的增透膜。1064nm泵浦光和轉換后的631nm信號光經過凹面激光腔反射鏡8輸出諧振腔外，此時它們在空間上基本上還是重合的。經過分光棱鏡4后，泵浦光和信號光在空間上被分開，通過收集透鏡13將631nm的信號光收集起來，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狹縫光闌9空間濾掉1064nm泵浦光成分，只允許631nm的信號光通過。為了進一步提純信號光，以免受到其他波段光的干擾，在進入硅雪崩光電二極管探測器11之前，我們用中心波長在631nm的窄帶濾波片和平面高反鏡@1064nm組成的濾波系統10進一步分離出631nm的弱信號光。
實施例2.2與實施例2.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應的轉換后信號波段為587nm。實施例2.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應調整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為587nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為587nm，反射鏡增透膜波長調整為587nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例2.3與實施例2.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為719nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為719nm，反射鏡增透膜波長調整為719nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例2.4與實施例2.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為663nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為663nm，反射鏡增透膜波長調整為663nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例2.1一致。
實施例3.1如圖5，與實施例2相比，本實施例采用了脈沖的工作方式。本實施例中采用的諧振腔結構與實施例2完全一致。為了使泵浦光在脈沖方式下運行，我們在腔內插入了1064nm的調Q元件(可以是聲光調Q元件或者電光調Q元件)。調Q元件可以用來調節激光腔的損耗。調Q的過程可以描述如下在激光泵浦剛剛開始的時候，調Q元件產生很高的損耗，使得激光無法振蕩輸出。由于持續泵浦，能量被儲存起來。此時調Q元件突然降低損耗，在極短的時間里將儲存的能量釋放出來，即形成一個強的激光脈沖。Q脈沖有很高的峰值功率，較短的脈沖寬度。調Q元件的觸發頻率鎖定1064nm泵浦光調Q脈沖的重復頻率與信號光的重復頻率一致。入射的1550nm單光子信號光也是脈沖的，脈寬約為1個ns(10-9s)。如圖3所描述的，信號光、Q開關元件和探測器的觸發都由一個時鐘脈沖控制，并適當引入延時，保證信號光、泵浦光脈沖以及探測器的觸發脈沖在時間上的重合。
非線性晶體3可以使用有效非線性系數稍低的晶體，比如長度10mm的BIBO晶體，晶體的切割角度為θ＝7.7°，＝0°，滿足當1064nm泵浦光與1550nm入射信號光正入射的時候和頻得到631nm出射信號光的角度相位匹配條件。晶體兩面同樣鍍有增透膜@631nm&1064nm&1550nm。腔內的調Q脈沖寬度在10ns(10-9秒)量級，脈沖寬度比信號光脈沖大一個量級左右以保證單光子信號光完全被頻率轉換。調整808nm泵浦源的功率以及Q脈沖的寬度(調節Q開關)使得泵浦脈沖的峰值功率(幾個kW量級)滿足頻率轉換的要求。1550nm的單光子信號由光纖輸出，經過光纖偏振控制器12調整偏振于諧振腔內1064nm激光光場偏振一致，滿足I類相位匹配條件。經過準直器1后，入射到非線性晶體3上，準直的束腰落在非線性晶體的中間位置。仔細調整1550nm入射光的位置，使入射光在非線性晶體中與諧振腔內的1064nm光場很好的重合。在非線性和頻作用下入射的1550nm的信號光頻率上轉換為631nm的信號光。為了減小弱光信號(包括頻率轉換前的1550nm信號和頻率轉換后的631nm信號)損耗，在其經過的元件上都鍍有相應波段的增透膜。1064nm泵浦光和轉換后的631nm信號光經過凹面激光腔反射鏡8輸出諧振腔外，此時它們在空間上基本上還是重合的。經過分光棱鏡4后，泵浦光和信號光在空間上被分開，通過收集透鏡13將631nm的信號光收集起來，使之可以打到硅ADPs的有效入射面上。用狹縫光闌9空間濾掉1064nm泵浦光成分，只允許631nm的信號光通過。濾光系統10包括中心波長在631nm的窄帶濾波片和平面高反鏡@1064nm，可以進一步分離出631nm的信號光。
實施例3.2與實施例3.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應的轉換后信號波段為587nm。方案3.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應調整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為587nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為587nm，反射鏡增透膜波長調整為587nm。其他元件、實現方法和步驟與方案3.1一致。
實施例3.3與實施例3.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。Q開關的工作波長調整為1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為719nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為719nm，反射鏡增透膜波長調整為719nm，高反波長調整到1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例3.1一致。
實施例3.4與實施例3.1相比，本方案中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調整到1310nm。Q開關的工作波長調整為1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件調整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為663nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為663nm，反射鏡增透膜波長調整為663nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例3.1一致。
實施例4.1鎖模脈沖同樣可以得到較高的峰值功率，本實施例中用主動鎖模的方法取代了實施例3中的調Q的方法。主動鎖模技術是在激光腔內放置一個調制器，該調制器對腔內激光產生一個幅度或者相位的調制，目的是使腔內的縱模間隔完全相等。間隔相等的各個縱模之間實現相干疊加，于是得到高峰值功率、短脈沖寬度的激光脈沖。由于鎖模脈沖的重復頻率是由激光諧振腔的長度決定的，所以我們設計諧振腔結構的時候，設定合適的諧振腔長度值，使得泵浦光重復頻率等于信號光重復頻率，或者是信號光重復頻率的整數倍，這樣我們才能保證泵浦光脈沖與信號光脈沖可以一一對應，在時間上實現重合。因為泵浦光是脈沖的，所以用于頻率轉換的信號光也是脈沖的，實現示意圖如圖2所示。鎖模脈沖具有脈沖寬度窄，重復頻率高的特點，一方面可以實現高重復頻率的入射信號光頻率轉換，另一方面也要求信號光具有很窄的脈沖寬度。在本方案中，泵浦光的脈沖寬度約為幾十ps(10-12s)，重復頻率幾十MHz，入射的信號光脈沖寬度約為幾個ps，重復頻率可以高達幾MHz甚至幾十MHz。
本實施例的結構示意圖與圖5基本一致，由于諧振腔的長度設定在一個特定的值，各凹面激光腔鏡的曲率半徑也作了相應的調整，另外在腔內插入的并不是Q開關元件，而是可以產生鎖模調制的聲光或者電光調制器16，調制器的工作波長在1064nm。如圖2所描述的，信號光、電光或者聲光調制器和探測器的觸發都由一個時鐘脈沖控制，并適當引入延時，保證信號光、泵浦光脈沖以及探測器的觸發脈沖在時間上的重合。
非線性晶體放置在固體釹離子激光器的諧振腔中，由808nm的半導體二極管激光器作為泵浦源，腔內產生1064nm的泵浦光鎖模脈沖。由于是高功率下運行，與實施例3一樣，本實施例也可以使用有效非線性系數較低的晶體。非線性晶體的相位匹配條件滿足泵浦光1064nm與信號光1550nm和頻產生631nm，晶體兩面鍍有增透膜。調整入射1550nm的單光子信號光的偏振使之滿足I類相位匹配。調整808nm泵浦源的輸出功率，使得腔內的泵浦光脈沖峰值功率滿足頻率轉換效率最大的條件。在信號光(包括轉換前的1550nm和轉換后的631nm)經過的元件表面都鍍有相應波段的增透膜。轉換后的631nm信號光與1064nm的泵浦光一同輸出諧振腔外，經過分光棱鏡在空間上分離，通過濾光系統與光闌將631nm的信號光分離出來，并用收集透鏡將信號光收集，保證能夠射到APDs的有效感光面，然后就可以用硅APDs進行探測。
實施例4.2與實施例4.1相比，本實施例中入射的單光子信號在1310nm波段，相應的轉換后信號波段為587nm。實施例4.1中涉及的激光腔鏡在1550nm的增透膜相應調整為1310nm波段的增透膜。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1064nm、入射信號光1310nm和出射信號光587nm波段的增透膜。非線性晶體的相位匹配條件也調整為1310nm與1064nm和頻得到587nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為587nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為587nm，反射鏡增透膜波長調整為587nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例4.1一致。
實施例4.3與實施例4.1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1550nm和出射信號光719nm波段的增透膜。調制器的工作波長調整為1342nm。非線性晶體的相位匹配條件調整到1550nm與1342nm和頻得到719nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為719nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為719nm，反射鏡增透膜波長調整為719nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例4.1一致。
實施例4.4與實施例4-1相比，本實施例中使用的泵浦光波長為1342nm，同樣由半導體二極管泵浦的固體釹離子激光器產生。各激光腔反射鏡的高反波段調整到1342nm。入射單光子信號光的波段為1310nm，在單光子信號輸入端，原方案中在1550nm的激光腔鏡的增透膜波段調整到1310nm。非線性晶體兩表面鍍膜調整為泵浦光1342nm、入射信號光1310nm和出射信號光663nm波段的增透膜。調制器的工作波長調整為1342nm。非線性晶體的相位匹配條件調整到1310nm與1342nm和頻得到663nm輸出。在轉換后信號光輸出的一端，激光腔鏡和收集透鏡的增透膜調整為663nm波段。濾光系統中，濾光片的中心波長調整為663nm，反射鏡增透膜波長調整為663nm，高反膜波長調整為1342nm。其他元件、實現方法和步驟與實施例4.1一致。
雖然以上已經參照附圖對按照本發明目的的構思和實施例做了詳細說明，但本領域普通技術人員可以認識到，在沒有脫離權利要求限定范圍的前提條件下，仍然可以對本發明做出各種改進和變換，例如非線性晶體種類的變換、光路的變換、符合本發明使用要求的激光器光源種類和諧振腔結構的變換等等。
權利要求
1.一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，調整信號光與腔內泵浦光在非線性晶體中重合，并滿足相位匹配條件，使得作為信號光的單光子源與泵浦光發生和頻，再用色散元件將出射光各頻譜成份分開，濾出轉換后的近紅外波段單光子信號光成分，之后用硅APDs進行探測。
2.根據權利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的作為信號光的單光子指的是光通信波段單光子。
3.根據權利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的非線性晶體指的是有二階非線性效應，并且通光波段包含泵浦光、入射信號光和轉換后信號光波長的非線性晶體。。
4.根據權利要求1所述的一種光通信波段單光子高效率探測的方法，其特征在于所述的泵浦光的強度至少應該使得非線性晶體產生非線性極化，但是不能超過非線性晶體的損傷閾值。
5.根據權利要求1所述的一種通信波段單光子源的產生方法，其特征在于所述的相位匹配條件指的是角度相位匹配或者是準相位匹配。
全文摘要
本發明涉及量子保密通信系統中，具體涉及光通信波段單光子信號通過非線性頻率上轉換實現單光子高效率探測的方法，該方法首先將非線性晶體放入泵浦光的有源諧振腔內，將作為信號光的單光子入射進非線性晶體，該非線性晶體被光泵浦，其中的泵浦光的頻率大于單光子源的頻率，使得信號光與泵浦光發生和頻，在濾出近紅外波段單光子信號光成分后再用硅APDs進行探測，其優點是通過頻率上轉換將單光子水平的信號光頻率轉移到近紅外波段，可控制頻率轉換效率接近100％，大大提高探測性能，克服系統調試的難度，且頻率轉換的穩定性高。
文檔編號G02F1/35GK1614495SQ20041008462
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月26日 優先權日2004年11月26日
發明者曾和平, 周春源, 吳光, 韓曉紅, 潘海峰 申請人:華東師范大學