CN1621791A - 单光子探测装置的结构 - Google Patents

Abstract

一种单光子探测装置的结构，使用液氮制冷带尾纤的雪崩二极管，其特征在于：主要包括：一中空的隔热塑料塞；一中空拉杆，该中空拉杆的一端与中空的隔热塑料塞固接；一雪崩二极管，该雪崩二极管固接在中空的隔热塑料塞的另一端；一金属套管，该金属套管置于中空拉杆内；一带有螺纹的法兰，该带有螺纹的法兰固定在中空拉杆的另一端；一电缆端口，该电缆端口固定在带有螺纹的法兰的另一端；一单模光纤，该单模光纤容置在金属套管内，一端与雪崩二极管固接，另一端引出带有螺纹的法兰。

Description

单光子探测装置的结构

技术领域

本发明涉及一种单光子探测装置，使用一种拉杆结构将带尾纤的雪崩二极管安装在液氮杜瓦中，可以对仅含有单个光子的入射光信号做出反应；可用于微弱光信号测量、以及量子信息和量子密匙传输的实验室研究。

背景技术

由于其对极弱光信号敏感，单光子探测技术有广泛应用：如生物学中观察样品荧光，航天中观测微弱光信号，半导体材料研究等。特别是目前引起广泛兴趣的量子信息和量子密匙传输，其信息编码在处于纠缠态的单个光子上面。

雪崩二极管作为探测元件，其工作在反向击穿状态，一旦被单光子信号触发，流经二极管电流会在极短时间内有约10个量级的增大，其产生的热量足以永久性损毁二极管，所以与之配套的低温恒温装置是单光子探测装置不可缺少的部分。目前主要有两类：半导体制冷器和液氮杜瓦。半导体制冷器的局限在于：温度范围小，尤其低温一般无法低于-50℃，难以满足实验室研究所需；为保证控温稳定性以及避免凝结水珠，整个装置需要封装在真空环境，不便更换元件。液氮杜瓦局限在于：一般只带有光学窗口，无法安装带有尾纤的样品，样品室同样需要抽真空处理；或者单纯将样品浸于液氮之中，无法变换温度。

发明内容

本发明目的在于提供一种单光子探测装置的结构，其是即可满足试验研究要求，又具有方便易使用特点的单光子探测装置。

本发明一种单光子探测装置的结构，使用液氮制冷带尾纤的雪崩二极管，其特征在于：主要包括：

一中空的隔热塑料塞；

一中空拉杆，该中空拉杆的一端与中空的隔热塑料塞固接；

一雪崩二极管，该雪崩二极管固接在中空的隔热塑料塞的另一端；

一金属套管，该金属套管置于中空拉杆内；

一带有螺纹的法兰，该带有螺纹的法兰固定在中空拉杆的另一端；

一电缆端口，该电缆端口固定在带有螺纹的法兰的另一端；

一单模光纤，该单模光纤容置在金属套管内，一端与雪崩二极管固接，另一端引出带有螺纹的法兰。

其中雪崩二极管采用InGaAs作为吸收层材料，主要对1310nm、1550nm波长的光敏感；带有单模光纤尾纤，便于在光纤通讯网络中应用。

其中带尾纤的雪崩二极管通过拉杆安装在液氮杜瓦内，无需进行抽真空处理即可进行低温操作。

其中向液氮杜瓦内直接灌入少量液氮，通过相应控温装置，可以长时间对单光子探测装置工作温度进行-196℃到+50℃、分辨率0.1℃的变温、控温操作。

本发明使用以InGaAs为吸收物质的雪崩二极管作为探测元件，对1310nm、1550nm波长的光敏感，适用于目前通用的光纤通信网络。待探测信号由带有标准FC接口的单模光纤引入，二极管工作所需偏压以及输出电信号由带有标准SMA端口、50欧姆特征阻抗的半硬性同轴电缆提供，既有利于屏蔽环境干扰，又便于与其他设备连接。雪崩二极管安装在拉杆的一端，光纤和同轴电缆通过一个直径约3mm的金属套管安装在拉杆内，由另一端引出。可以配合样品数量制作多个拉杆，或者同一拉杆临时装卸样品。拉杆外部二极管一端套装有一个表面刻有螺旋凹槽的隔热塑料塞(外径配合使用的液氮杜瓦)，靠近光纤引出端套装有一个金属法兰。使用时将拉杆***液氮杜瓦，使用法兰固定，灌入适量液氮到杜瓦中。本装置具有以下优点：

(1)可以安装带有尾纤样品的液氮杜瓦低温装置；

(2)使用、更换简单，无需对样品室抽真空处理；

(3)配合控温电路(或者装置)可以实现-196℃到+50℃、分辨率0.1℃的变温、控温操作；

(4)制作、安装简单，便于维护。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是安装雪崩二极管之后的拉杆结构示意图。

其中：

11：带有标准FC接口的单模光纤；

12：带有标准SMA端口、50欧姆特征阻抗的半硬性同轴电缆；

13：带有螺纹的法兰，用于将拉杆固定在杜瓦上；

14：中空拉杆；

15：表面刻有凹槽的隔热塑料塞，直径配合杜瓦内径；

16：雪崩二极管；

17：直径约3mm的金属套管。

图2是使用液氮制冷带尾纤雪崩二极管的单光子探测装置示意图。

其中：

21：安装完毕的拉杆；

22：液氮注入口；

23：抽气口；

24：液氮舱；

25：真空隔热层；

26：样品舱；

27：热敏电阻以及加热电阻；

28：导线；

29：控温电路接口。

具体实施方式

以下通过结合附图，对具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，本发明一种单光子探测装置的结构，使用液氮制冷带尾纤的雪崩二极管，主要包括：

一中空的隔热塑料塞15；

一中空拉杆14，该中空拉杆14的一端与中空的隔热塑料塞15固接，中空的金属拉杆14作为单光子探测装置支撑结构，在其一端安装有表面刻有螺旋凹槽的塑料隔热塞15，隔热塞15中心有一小孔，与拉杆14贯通；并且，其横截面最大外径与使用的液氮杜瓦内径配合，直径3mm左右的金属套管17置于拉杆内部，与拉杆之间的缝隙可以填充隔热材料；

一雪崩二极管16，该雪崩二极管16固接在中空的隔热塑料塞15的另一端，该崩二极管16采用InGaAs作为吸收层材料，主要对1310nm、1550nm波长的光敏感；带有单模光纤尾纤，便于在光纤通讯网络中应用，带尾纤的雪崩二极管16通过拉杆安装在液氮杜瓦内，无需进行抽真空处理即可进行低温操作；其中向液氮杜瓦内直接灌入少量液氮，通过相应控温装置，可以长时间对单光子探测装置工作温度进行-196℃到+50℃、分辨率0.1℃的变温、控温操作。；

一金属套管17，该金属套管17置于中空拉杆14内；

一带有螺纹的法兰13，该带有螺纹的法兰13固定在中空拉杆14的另一端；

一电缆端口12，该电缆端口12固定在带有螺纹的法兰13的另一端；

一单模光纤11，该单模光纤11容置在金属套管17内，一端与雪崩二极管16固接，另一端引出带有螺纹的法兰13。

实施例：

如图2所示，将拉杆结构21置于液氮杜瓦中，调节***深度，使塑料隔热塞与杜瓦内壁紧密结合，利用法兰将拉杆固定。这样，液氮杜瓦内腔就被隔热塞分割成两部分：用于存储液氮的液氮舱24；雪崩二极管置于其中的样品舱26。利用带有密封气阀的抽气口23抽气，在样品舱26***形成真空隔热层25。由液氮注入口22注入适量液氮至液氮舱24。隔热塞表面螺旋凹槽就成为被封闭在样品舱26内的空气与液氮舱24中液氮交换热量的主要途径。这样就可以避免水汽首先在样品二极管上凝结，从而导致短路等严重事故。安装在杜瓦底部的热敏电阻以及加热电阻27配合工作，经由导线28，电路接口29传送信号给外接控温电路(或者装置)以实现-196℃到+50℃(分辨率0.1℃)之间任意温度稳定工作，从而满足试验研究的要求。

通过这样的简单程序，就完成了使用液氮制冷带尾纤的雪崩二极管进行单光子探测的准备工作。

Claims (4)

1、一种单光子探测装置的结构，使用液氮制冷带尾纤的雪崩二极管，其特征在于：主要包括：

一中空的隔热塑料塞；

一中空拉杆，该中空拉杆的一端与中空的隔热塑料塞固接；

一雪崩二极管，该雪崩二极管固接在中空的隔热塑料塞的另一端；

一金属套管，该金属套管置于中空拉杆内；

一带有螺纹的法兰，该带有螺纹的法兰固定在中空拉杆的另一端；

一电缆端口，该电缆端口固定在带有螺纹的法兰的另一端；

一单模光纤，该单模光纤容置在金属套管内，一端与雪崩二极管固接，另一端引出带有螺纹的法兰。

2、根据权利要求1所述的单光子探测装置，其特征在于：其中雪崩二极管采用InGaAs作为吸收层材料，主要对1310nm、1550nm波长的光敏感；带有单模光纤尾纤，便于在光纤通讯网络中应用。

3、根据权利要求1所述的单光子探测装置，其特征在于：其中带尾纤的雪崩二极管通过拉杆安装在液氮杜瓦内，无需进行抽真空处理即可进行低温操作。

4、根据权利要求3所述的单光子探测装置，其特征在于：其中向液氮杜瓦内直接灌入少量液氮，通过相应控温装置，可以长时间对单光子探测装置工作温度进行-196℃到+50℃、分辨率0.1℃的变温、控温操作。

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