1实验装置
1.1噪声分析
在满足相位匹配的条件下的周期性极化铌酸锂波导中,除了非线性和频过程外,同时存在其他的非线性效应,比如泵浦光的二阶非线性效应(SHG)和三阶非线性效应(THG)、泵浦光的自发参量下转换(SPDC)、泵浦光的拉曼效应(SRS)等.泵浦光的SHG和THG可被硅单光子探测器响应而产生噪声,当SPDC和SRS所产生的光子,其波长落在满足波导相位匹配条件下的转换带宽(本实验波导转换半宽为0.5nm)内时,这些光子可以有效的与泵浦光一起转换为可见光,然后被硅单光子探测器记录从而引入噪声,因此需要对非线性过程后的光子进行有效滤波来减除噪声.由于自发参量下转换只会产生波长高于泵浦光的光子,因此采用波长大于信号光的长波泵浦时,可以使SPDC波长远离信号光,也就避免了其落与波导的转换带宽内,从而滤除其对噪声的影响[16].同时当采用长波泵浦时,落在波导转换带宽内,引入噪声的SRS光子为反斯托克斯光子,当采用短波泵浦时,能引入噪声的SRS光子为斯托克斯光子,在室温下,反斯托克斯光子的布居要远远低于斯托克斯光子,因此采用长波泵浦还可以减少SRS对噪声的影响[16].本实验采用了1950nm的长波作为泵浦光来减少探测器的噪声.
1.2实验装置
实验装置如图1所示,1550nm通信波段信号光由可调谐外腔二极管激光器提供,泵浦激光的种子激光同样来自一个可调谐外腔二极管激光器,其波段为1900～2000nm,种子激光经功率可调节的掺铥激光放大器放大后,经第一个1.55μm/1.9μm分复用滤掉自发辐射噪声(ASE),然后与信号光一起通过第二个1.55μm/1.9μm波分复用合束进入周期极化铌酸锂波导.其中信号光在进入波分复用之前,分别经过可调衰减器,1/99的分束器和固定衰减器,用以调节输入到探测器的光子数.由于周期性计划铌酸锂波导只传播TM00光,泵浦光和信号光的极化均通过极化控制器调节至TM00模式,同时我们采用TEC模块对波导的温度进行控温,使其稳定在56度,以满足波导中非线性转换过程中的相位匹配条件,达到最优转换效率.波导后的光束由非球面物镜准直输出,和频光、噪声光和残留泵浦光经由二向色镜分束,透射的泵浦光被引入光谱仪(OSA)监控,反射的上转换可见光依次通过857nm带通滤波片、945nm短通滤波片和785nm长通滤波片滤去泵浦光SHG,THG等,最后由准直镜耦合进入多模光纤接收入硅雪崩二极管单光子探测器,单光子探测器的输出由计数器读出.
1.3实验结果
由于在波导的非线性和频过程中的信号光的转换效率和泵浦光的拉曼噪声强度均与泵浦光强度有关,因此上转换探测器的量子效率和噪声也是随泵浦光功率变化的函数.我们通过调节掺铥光放大器的电流来调节泵浦光功率,测量不同泵浦光功率下对应的量子效率和噪声,结果如图2所示,其中功率为波导后所测结果.由实验结果可知,量子效率最高可以达到27%,噪声2800Hz,在量子效率为9%时,噪声仅为550Hz,此时噪声等效功率为132dBm/Hz1/2,优于商用的铟镓砷二极管单光子探测器.
2总结
本实验中采用了多模光纤耦合接收和长波泵浦技术成功发展了一种新型上转换单光子探测器系统,不仅达到了采用棱镜色散系统的传统上转换单光子探测器所具有的高量子效率,同时也大大降低了噪声水平.而且其系统更易集成,性能更加稳定,更加易于调节,为实用化上转换单光子探测器提供了可能.若要进一步滤除噪声,可以采用更窄的滤波器件,比如,本团队最近采用体光栅的方法成功将噪声降至100Hz,同时保持28%的量子效率[17],但是这种探测器与传统的上转换单光子探测器一样存在着空间色散器件,相比于本实验中的方案,不易于集成,不便于调试,未来可以考虑采用光纤布拉格光栅滤波的方法实现实用化.
作者：申屠国 郑名扬 张强 单位：中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室 山东量子科学技术研究院有限公司 济南量子技术研究院
