СИСТЕМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ Российский патент 2017 года по МПК G01J11/00 G02B6/42 

Область техники

Система детектирования одиночных фотонов для квантовой криптографии относится к оптико-механическому оборудованию и может быть использована в прецизионных устройствах регистрации оптического излучения, требующих высокого пространственного разрешения, в телекоммуникационных устройствах, в устройствах сочленения источников излучения, например, полупроводниковых лазеров с оптоволоконными устройствами.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен патент РФ №2506664, опубликованный 10 февраля 2014 года, в котором описан способ прецизионного позиционирования чувствительного элемента фотонного детектора относительно амплитудно-модулированного оптического излучения, который включает смещение чувствительного элемента фотонного детектора постоянным током с последующей регистрацией электрического сигнала, возникающего на контактах детектора на частоте модуляции излучения. Полученный при этом сигнал используют как параметр, определяющий качество позиционирования. Использование данного способа позволяет создать устройство с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками детектора.

В статье APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 79, NUMBER 6 (авторов Г.Н. Гольцмана, О. Окунева, Г. Чулкова и др.), опубликованной 6 августа 2001 года, а также в китайском патенте CN101614594, опубликованном 30 декабря 2009 года, описан детектор одиночных фотонов с использованием специальной оптики, обеспечивающей фокусировку излучения из оптического волокна (световода) в дифракционно ограниченное пятно на детекторе. В статье OPTICS LETTERS Vol. 34, No. 23 (авторов Xiaolong Hu, Tian Zhong и др.), опубликованной 1 декабря 2009 года, описан соединенный с волокном счетчик фотонов. При этом для повышения эффективности связи волокна с детектором указано на необходимость совмещения светового излучения и детектора, которое обеспечивается за счет использования трех позиционеров ANPz101 компании Attocube System (двух в плоскости X-Y ANPx101 и одного в направлении Z). Недостатком описанных устройств является использование сложных инструментов, которые не обеспечивают стабильного хорошего совмещения волокна и детектора, а, следовательно, высокой эффективности работы устройства в целом.

В заявке на патент США №2014353476, опубликованной 4 декабря 2014 года, описана конфигурация устройства детектирования одиночных фотонов, которая заключается в создании детектора непосредственно на конце волокна. Весь процесс изготовления происходит на верхней грани циркониевого наконечником, взятого из стандартного полированного разъем волокна (FC- UPC), содержащего одномодовое волокно. Недостатками такого решения являются сложность изготовления, а также проблемы охлаждения совмещенного детектора при последующей работе.

В польском патенте PL209942, опубликованном 30 ноября 2011 года, описано устройство детектирования одиночных фотонов, которое выбирается в качестве прототипа, содержащее приемный модуль с приемной зоной, блок ориентации, световод, включающий оболочку с первым окончанием и вторым окончанием, сердцевину с первым концом и вторым концом, а также оптический модуль, включающий первый источник излучения, причем блок ориентации расположен на приемном модуле, световод первым окончанием установлен в блоке ориентации, первым концом сердцевины оптически сопряжен с приемной зоной, а вторым концом сердцевины оптически сопряжен с первым источником излучения оптического модуля.

Недостатки указанного устройства заключаются в следующем.

1. В том, что в нем предполагается совмещение оптического световода по наружному диаметру оболочки (обычно диаметр 125 мкм) с искусственно созданным направляющим кольцом толщиной 0.2 мкм и внутренним диаметром на 2 мкм большим диаметра оптического световода. Это предполагает, что точность совмещения не превышает 1 мкм.

2. Совмещение сердцевины оптического волокна с приемной зоной в этом устройстве предполагает, что ось сердцевины точно совпадает с осью внешней оболочки световода. Это дополнительно снижает точность совмещения.

3. Визуальный контроль процесса совмещения в указанном устройстве весьма затруднителен. Эти три фактора приводят к относительно невысокой точности совмещения.

4. Закрепление оптического волокна относительно приемной зоны предполагает заполнение фиксирующим составом зазора между торцом оптического волокна и поверхностью приемного модуля, на которой сформирована приемная зона. Однако при изменении температуры, из-за разности коэффициентов линейного расширения материала световода, фиксирующего состава и поверхности приемной зоны, возникают механические напряжения, которые могут влиять на свойства приемной зоны, вплоть до ее разрушения. Таким образом, недостатки - низкая точность и возможность разрушения приемной зоны

Технической задачей является повышение эффективности детектирования одиночных фотонов.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности детектирования, а также в увеличении надежности работы в условиях колебания внешних температур за счет прецизионного позиционирования сердцевины первого конца оптического волокна над приемной зоной детектора.

Раскрытие изобретения

Указанный технический результат достигается при использовании системы детектирования одиночных фотонов, включающей приемный модуль (1) с приемной зоной (2), блок ориентации (3), световод (6), включающий оболочку (7) с первым окончанием (8) и вторым окончанием (9), сердцевину (10) с первым концом (11) и вторым концом (12), а также оптический модуль (15), включающий первый источник излучения (16), причем блок ориентации (3) расположен на приемном модуле (1), световод (6) первым окончанием (8) установлен в блоке ориентации (3), первым концом (11) сердцевины (10) оптически сопряжен с приемной зоной (2), а вторым концом (12) сердцевины (10) оптически сопряжен с первым источником излучения (16) оптического модуля (15), причем приемный модуль (1) включает первую зону (20), вторую зону (21), третью зону (22) и четвертую зону (23), коэффициент отражения которых отличается от поверхности (30) приемного модуля (1), приемная зона (2) приемного модуля (1), оптический модуль (15) дополнительно включает первый приемник излучения (17), при этом первый конец (11) сердцевины (10) имеет возможность оптического сопряжения с первой зоной (20), второй зоной (21), третьей зоной (22) и четвертой зоной (23), а второй конец (12) сердцевины (10) дополнительно оптически сопряжен с первым приемником излучения (17) оптического модуля (15). При этом качестве приемной зоны может использоваться сверхпроводящий однофотонный детектор.

Для реализации системы блок ориентации (3) может быть выполнен в виде механического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью (30) приемного модуля (1), или блок ориентации (3) может быть выполнен в виде пьезокерамического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью (30) приемного модуля (1), или блок ориентации (3) может быть выполнен в виде пьезокерамического трехкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью (30) приемного модуля (1), а также по направлению третьей координаты Z, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y.

Для реализации системы может использоваться первый светоделитель (31), оптически сопряженный со вторым концом (12) сердцевины (10), а также с первым источником излучения (16) и первым приемником излучения (17) оптического модуля (15).

Для реализации системы может использоваться, по меньшей мере, один второй источник излучения (32), имеющий возможность оптического сопряжения со вторым концом (12) сердцевины (10).

Для реализации системы может использоваться первый поляризатор (34), установленный на выходе второго источника излучения (32).

Для реализации системы может использоваться второй поляризатор (35), установленный на входе первого приемника излучения (17).

Для реализации системы первый приемник излучения (17) оптического модуля (15) может быть сопряжен с анализатором спектра регистрируемого излучения (37).

Для реализации системы второй конец (12) сердцевины (10) может быть выполнен в виде разветвления (40), содержащего первый фрагмент (41) и второй фрагмент (42), имеющие возможность оптического сопряжения с соответственно первым источником излучения (16) и первым приемником излучения (17) оптического модуля (15).

Для реализации системы световод (6) дополнительно может содержать третье окончание (45) с третьим концом (50) сердцевины (10), который сопряжен со вторым приемником излучения (51).

Для реализации системы приемный модуль (1) может включать подложку (55) и держатель (56), при этом подложка (55) закреплена на держателе (56), блок ориентации (3) установлен на подложке (55), а приемная зона (2), первая зона (20), вторая зона (21), третья зона (22) и четвертая зона (23) расположены на подложке (55).

Для реализации системы приемный модуль (1) может включать подложку (55) и держатель (56), при этом подложка (55) закреплена на держателе (56), блок ориентации (3) установлен на держателе (56), а приемная зона (2), первая зона (20), вторая зона (21), третья зона (22) и четвертая зона (23) расположены на подложке (55).

Для реализации системы может использоваться оптический разъем (53), установленный в блоке ориентации (3), при этом первое окончание (8) световода (6) сопряжено с оптическим разъемом (53).

Для реализации системы первая зона (20), вторая зона (21), третья зона (22) и четвертая зона (23) приемного модуля (1) могут быть сформированы в виде фоточувствительных элементов.

Для реализации системы первая зона (20), вторая зона (21), третья зона (22) и четвертая зона (23) приемного модуля (1) могут быть сформированы в виде люминесцентных элементов.

Для реализации системы между подложкой (55), и держателем (56)может быть расположен, по меньшей мере, один пьезокерамический элемент (60).

Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 изображена система детектирования одиночных фотонов для исследования и оптимизации однофотонных детекторов для квантовой криптографии, включая сверхпроводящие однофотонные детекторы в общем виде.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения приемного модуля.

На фиг. 3 изображен вид сверху на приемный модуль.

На фиг. 4 изображен вариант первый вариант выполнения световода.

На фиг. 5 изображен вариант второй вариант выполнения световода.

На фиг. 6 изображен первый вариант выполнения приемного модуля.

На фиг. 7 изображен вариант второй выполнения приемного модуля.

На фиг. 8 схематически изображена система детектирования одиночных фотонов для исследования и оптимизации однофотонных детекторов для квантовой криптографии, включая сверхпроводящие однофотонные детекторы в составе криостата.

Вариант осуществления изобретения

Система детектирования одиночных фотонов содержит приемный модуль 1 (фиг. 1) с приемной зоной 2, блок ориентации 3 и световод 6. В качестве приемного модуля 1 может использоваться сверхпроводящая, полупроводниковая или иная светочувствительная структура, изменяющая свои электрические свойства под воздействием оптического излучения сформированная на поверхности пластины Si, Al2O3, MgO или иной изолирующей подложки. Приемная зона 2 может представлять собой сверхпроводящую, полупроводниковую или иную светочувствительную структуру, сформированную на поверхности 30 приемного модуля 1 и изменяющую свои электрические свойства под воздействием оптического излучения. При этом световод 6 включает оболочку 7 с первым окончанием 8 и вторым окончанием 9, сердцевину 10 с первым концом 11 и вторым концом 12. В качестве световода 6 может использоваться стандартное одномодовое волокно SMF-28 (могут использоваться другие одномодовые или многомодовые оптические волокна). Устройство содержит также оптический модуль 15, включающий первый источник излучения 16, например полупроводниковый лазер Thorlab S1FC1550P, и первый приемник излучения 17, например FOT-930 (EXFO Electro-Optical Engineering Inc). Блок ориентации 3 выполнен в виде корпуса 4 и модуля подвижки 5 расположен на приемном модуле 1, световод 6 первым окончанием 8 установлен в блоке ориентации 3, первым концом 11 сердцевины 10 оптически сопряжен с приемной зоной 2, а вторым концом 12 сердцевины 10 оптически сопряжен с первым источником излучения 16 и первым приемником излучения 17 оптического модуля 15. Приемный модуль 1 (фиг. 2) включает первую зону 20, вторую зону 21, третью зону 22 и четвертую зону 23, имеющие иной коэффициент отражения по сравнению с поверхностью 30 приемного модуля 1 и приемная зона 2 приемного модуля 1. Первый конец 11 сердцевины 10 имеет возможность оптического сопряжения с первой зоной 20, второй зоной 21, третьей зоной 22 и четвертой зоной 23. Иной коэффициент отражения первой зоны 20, второй зоны 21, третьей зоны 22 и четвертой зоны 23 может быть сформирован в результате образования шероховатой поверхности при ее травлении или использования покрытия с отличающимся коэффициентом отражения. При этом поверхность 30 и приемная зона 2 могут иметь одинаковый коэффициент отражения.

Существует вариант, в котором блок ориентации 3 выполнен в виде механического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30 приемного модуля 1. В качестве двухкоординатного стола может использоваться прецизионная двухкоординатная X-Y подвижка 5 производства Elliott Scientific (17 TFJ 001/D), Newport (461-XY-M, 462-XY-LH-M) или иной фирмы позволяющая производить перемещение первого окончания световода относительно приемной зоны приемного модуля с высокой точностью. В случае использования стандартного одномодового оптического волокна SMF-28 с диаметром сердцевины 10 мкм и квадратной приемной зоны приемного модуля размером 10×10 мкм² двухкоординатная X-Y подвижка должна обеспечивать точность перемещения по X и Y координатам не хуже 0.2 мкм.

Существует вариант, в котором блок ориентации 3 выполнен в виде пьезокерамического двухкоординатного стола 5, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30 приемного модуля 1. В качестве пьезокерамического двухкоординатного стола может использоваться прецизионная двухкоординатная X-Y подвижка 5 производства PI (Р-612.2XY Piezo Nanopositioning System), Attocube (комбинация 2-х элементов ECS3040) или иной фирмы позволяющая производить перемещение первого окончания световода относительно приемной зоны приемного модуля с высокой точностью. В случае использования стандартного одномодового оптического волокна SMF-28 с диаметром сердцевины 10 мкм и квадратной приемной зоны приемного модуля размером 10×10 мкм² двухкоординатная X-Y подвижка должна обеспечивать точность перемещения по X и Y координатам не хуже 0.5 мкм. В случае использования устройства прецизионного оптического воздействия в экстремальных условиях (в условиях агрессивной среды, в криостате при низких температурах и т.п.) двухкоординатная X-Y подвижка должна быть защищена от разрушения.

Существует вариант, в котором блок ориентации 3 выполнен в виде пьезокерамического трехкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30 приемного модуля 1, а также по направлению третьей координаты Z, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y. В качестве пьезокерамического трехкоординатного стола может использоваться прецизионная трехкоординатная X-Y-Z подвижка 5 производства Elliott Scientific (NanoMax300-TS), PI (P-611.3NanoCube XYZ Piezo Stage), Attocube (комбинация 3-х элементов ECS3040) или иной фирмы позволяющая производить перемещение первого окончания 11 световода 6 относительно приемной зоны 2 приемного модуля 1 с высокой точностью. В случае использования стандартного одномодового оптического волокна SMF-28 с диаметром сердцевины 10 мкм и квадратной приемной зоны приемного модуля размером 10×10 мкм² двухкоординатная X-Y-Z подвижка должна обеспечивать точность перемещения по X, Y и Z координатам не хуже 0.2 мкм. В случае использования устройства прецизионного оптического воздействия в экстремальных условиях (в условиях агрессивной среды, в криостате при низких температурах и т.п.) двух координатная X-Y подвижка должна быть защищена от разрушения.

Существует вариант, в котором в устройство введен первый светоделитель 31 (фиг. 3), оптически сопряженный со вторым концом 12 сердцевины 10, а также с первым источником излучения 16 и первым приемником излучения 17 оптического модуля 15. В качестве первого светоделителя 31 может использоваться, например, DMSP1500 производства Thorlab или другой стандартный разветвитель.

Существует вариант, в котором в устройство введен, по меньшей мере, один второй источник излучения 32, имеющий возможность оптического сопряжения со вторым концом 12 сердцевины 10 посредством второго светоделителя 33 и первого светоделителя 31. В качестве второго источника излучения 32 может использоваться лазер D2525 производства LucentOptics или другой стандартный полупроводниковый.

Существует вариант, в котором в устройство введен первый поляризатор 34, установленный на выходе второго источника излучения 32 между ним и вторым светоделителем 33. В качестве первого поляризатора 34 может использоваться, например, FBR-LPMIR производства Thorlabs или другой стандартный оптоволоконный поляризационный фильтр.

Существует вариант, в котором в устройство введен второй поляризатор 35, установленный на входе первого приемника излучения 17 между ним и первым светоделителем 31. В качестве второго поляризатора 35 может использоваться, например, FBR-LPMIR производства Thorlabs или другой стандартный оптоволоконный поляризационный фильтр.

Существует вариант, в котором первый приемник излучения 17 оптического модуля 15 сопряжен с анализатором спектра регистрируемого излучения 37. В качестве анализатора спектра регистрируемого излучения 37 может использоваться стандартный оптический спектрометр, например, OSA202 производства Thorlabs.

Существует вариант, в котором второй конец 12 (фиг. 4) сердцевины 10 выполнен в виде разветвления 40, содержащего первый фрагмент 41 и второй фрагмент 42, имеющие возможность оптического сопряжения с соответственно первым источником излучения 16 и первым приемником излучения 17 оптического модуля 15. В качестве такого варианта может использоваться стандартный волоконный У-разветвитель, например, WD202C-APC производства Thorlabs.

Существует вариант, в котором световод 6 дополнительно содержит третье окончание 45 с третьим концом 50 сердцевины 10, который сопряжен со вторым приемником излучения 51.

Существует вариант, в котором приемный модуль 1 включает подложку 55 и держатель 56, при этом подложка 55 закреплена на держателе 56, блок ориентации 3 установлен на подложке 55, а приемная зона 2, первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 расположены на подложке 55. В качестве подложки 55 можно использовать пластины Si с покрытием изолирующим слоем или без него, пластины монокристаллического Al₂O₃, пластины MgO или другие пластины, на которых сформирован фоточувствительный слой приемной зоны приемного модуля. В качестве держателя 56 можно использовать металлическую пластину. Закрепление подложки 55 на держателе 56 может быть осуществлено механически при помощи прижимающих лапок или при помощи клея, в том числе эпоксидного Блок ориентации 3 может быть установлен на подложке 55 посредством эпоксидного клея.

Существует вариант, в котором приемный модуль 1 включает подложку 55 и держатель 56, при этом подложка 55 закреплена на держателе 56, блок ориентации 3 установлен на держателе 56, а приемная зона 2, первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 расположены на подложке 55. Блок ориентации 3 может быть установлен на держателе 56 посредством соединения винтами или эпоксидного клея.

Существует вариант, в котором в устройство введен оптический разъем 53, установленный в блоке ориентации 3, при этом первое окончание 8 световода 6 сопряжено с оптическим разъемом 53. В качестве оптического разъема 53 может использоваться стандартный оптический, например, FC разъем. Установка оптического разъема 53 в блоке ориентации 3 может быть осуществлена при помощи механического сочленения.

Существует вариант, в котором первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 приемного модуля 1 сформированы в виде фоточувствительных элементов. В качестве их материалов можно использовать структуры на основе допированных полупроводников.

Существует вариант, в котором первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 приемного модуля 1 сформированы в виде люминесцентных элементов. В качестве их материалов можно использовать, например, тонкопленочные структуры на основе халькогенидов цинка, металлов второй группы и других люминесцентных материалов.

Существует вариант, в котором между подложкой 55, и держателем 56 расположен, по меньшей мере, один пьезокерамический элемент 60, в качестве которого можно использовать, например, пьезокерамические пластины производства PICeramic GmbH (стандартные пластины или пластины сдвиговых перемещений).

Устройство работает следующим образом.

Первая задача, которая решается при работе Устройства, это позиционирование первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2. Для этого оптическое излучение от источника 16 пропускают через сердцевину 10 по направлению к первому окончанию 11. Первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 подводят к поверхности приемного модуля 1 на расстояние сравнимое с диаметром сердцевины 10. Расстояние контролируется визуально, при помощи оптического микроскопа по расстоянию между торцом первого окончания 8 и его зеркальным отражением от поверхности 30 приемного модуля 1, и по свету отраженному от поверхности приемного модуля обратно в сердцевину 10 и регистрируемому приемным устройством 17. После этого первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 перемещается параллельно поверхности приемного модуля до пересечения с одной из сформированных зон 20, 21, 22 или 23. При пересечении одной из указанных зон (например, 20) изменяется интенсивность света отраженного обратно в сердцевину 10, и это изменение регистрируется на приемном модуле 17. Расположение окончания 11 над зоной 20 (21, 22, 23) может регистрироваться по изменению гальваномагнитных свойств, регистрации люминесцентного излучения или изменению плоскости поляризации отраженного в сердцевину излучения. По изменению сигнала на приемном модуле 17 при пересечении зоны 20 первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 располагают точно на середине сечения зоны 20 в направлении перемещения первого окончания 11. После этого первое окончание 11 перемещается вдоль зоны 20 по направлению к зоне 22. По изменению сигнала на приемном модуле 17 первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 располагают точно посередине между краями 24 и 26 зон 20 и 22 соответственно. Аналогично, используя края зон 25 и 27 (зоны 21 и 23 соответственно), производится юстировка первого окончания 11 по второй оси. Таким образом, ось окончания 11 сердцевины 10 располагается точно над серединой приемной зоны 2. Далее оптическое излучение первого источника излучения 16 оптически сопряженного со вторым окончанием 12 сердцевины 10 направляют по сердцевине световода 10, и оно через первый конец 11 сердцевины 10 попадает на приемную зону 2. Результат воздействия оптического излучения контролируется по измерению гальвано магнитных характеристик чувствительного элемента приемной зоны 2 или по характеристикам электромагнитного излучения (интенсивность, поляризация, длина волны) распространяющегося по сердцевине 10 световода 6 от первого окончания 8 ко второму окончанию 12 и регистрирующемуся на первом приемнике излучения 17. Оптическое излучение первого источника излучения 16 может контролироваться по сигналу регистрируемому приемным устройством 51 обусловленному излучением, попадающим на него через сердцевину 50 ответвления 45.

Для контроля расположения первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 относительно приемной зоны 2 с точностью 0.2-0.3 мкм приемный модуль 1 включает первую зону 20, вторую зону 21, третью зону 22 и четвертую зону 23, имеющие иной коэффициент отражения по сравнению с поверхностью 30 приемного модуля 1. Приемная зона 2 приемного модуля 1, оптический модуль 15 дополнительно включают первый приемник излучения 17, при этом первый конец 11 сердцевины 10 имеет возможность оптического сопряжения с первой зоной 20, второй зоной 21, третьей зоной 22 и четвертой зоной 23, а второй конец 12 сердцевины 10 дополнительно оптически сопряжен с первым приемником излучения 17 оптического модуля 15. Для контроля положения первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 относительно первой зоны 20, второй зоны 21, третьей зоны 22 и четвертой зоны 23 первым приемником излучения 17 регистрируется интенсивность оптического излучения, рассеянного на поверхности приемного модуля 1 и распространяющегося по сердцевине 10 от первого окончания 11 ко второму окончанию 12.

Выполнение блока ориентации 3 в виде механического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30 приемного модуля 1, позволяет перемещать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 параллельно поверхности приемного модуля 1, одновременно регистрируя интенсивность оптического излучения, рассеянного на поверхности приемного модуля 1 и распространяющегося по сердцевине 10 от первого окончания 11 ко второму окончанию 12 и регистрируемого первым приемником излучения 17. Используя первую зону 20, вторую зону 21, третью зону 22 и четвертую зону 23, имеющие иной коэффициент отражения по сравнению с поверхностью 30 приемного модуля 1 и приемной зоны 2 приемного модуля 1, как метки на поверхности приемного модуля 1, указывающие место положения приемной зоны 2, возможно позиционировать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2 приемного модуля 1 с точностью 0.2-0.3 мкм.

Выполнение блока ориентации 3 в виде пьезокерамического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30, приемного модуля 1, позволяет перемещать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 параллельно поверхности приемного модуля 1, одновременно регистрируя интенсивность оптического излучения, рассеянного на поверхности приемного модуля 1 и распространяющегося по сердцевине 10 от первого окончания 11 ко второму окончанию 12 и регистрируемого первым приемником излучения 17, в том числе в экстремальных условиях, когда невозможно осуществление перемещения при помощи механического двухкоординатного стола. Используя первую зону 20, вторую зону 21, третью зону 22 и четвертую зону 23, имеющие иной коэффициент отражения по сравнению с поверхностью 30 приемного модуля 1 и приемной зоны 2 приемного модуля 1, как метки на поверхности приемного модуля 1, указывающие место положения приемной зоны 2, возможно позиционировать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2 приемного модуля 1 с точностью 0.2-0.3 мкм.

Выполнение блока ориентации 3 в виде пьезокерамического трехкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью 30 приемного модуля 1, а также по направлению третьей координаты Z, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y позволяет помимо перемещения первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 параллельно поверхности приемного модуля 1, позволяет осуществлять прецизионное перемещение первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 по нормали к поверхности приемного модуля 1. Эта возможность реализуется для оптимизации расстояния между первым окончанием 11 сердцевины 10 световода 6 и поверхностью приемного модуля 1. Не оптимальное расстояние между первым окончанием 11 сердцевины 10 световода 6 и поверхностью приемного модуля 1 может приводить к тому, что размер оптического пучка попадающий из световода на поверхность из-за дифракционной расходимости будет существенно превосходить размеры приемной зоны 2, что приведет к снижению точности позиционирования первого окончания 11 относительно приемной зоны 2. Перемещения по всем трем координатам могут осуществляться в экстремальных условиях.

Введение в устройство первого светоделителя 31, оптически сопряженного со вторым концом 12 сердцевины 10, а также с первым источником излучения 16 и первым приемником излучения 17 оптического модуля 15, позволяет одновременно направлять свет, воздействующий на приемную зону 2, расположенную на приемном модуле 1, и регистрировать свет, распространяющийся от первого окончания 11 сердцевины 10 ко второму окончанию 12 сердцевины 10.

Введение в устройство, по меньшей мере, одного второго источника излучения 32, имеющего возможность оптического сопряжения со вторым концом 12 сердцевины 10, позволяет производить облучение поверхности приемного модуля 1, включая приемную зону 2, светом от второго источника излучения 32, усиливая воздействие на поверхность. Свет от второго источника излучения 32 может быть использован в качестве зондирующего излучения для анализа результата воздействия на поверхность излучения от оптического модуля 15, включающего первый источник излучения 16. В этом случае важно как воздействующее излучение от первого источника излучения 16 и зондирующее излучение от второго источника излучения 32 направляются на поверхность по сердцевине 10 и, следовательно, облучают один и тот же участок поверхности.

То, что в устройство введен первый поляризатор 34, установленный на выходе второго источника излучения 32 позволяет в качестве зондирующего излучения использовать поляризованный свет.

Введение в устройство второго поляризатора 35, установленного на входе первого приемника излучения 17, позволяет анализировать изменение плоскости поляризации зондирующего излучения при его рассеянии на участке поверхности приемного модуля 1, включая приемную зону 2.

Сопряжение первого приемника излучения 17 оптического модуля 15 с анализатором спектра регистрируемого излучения 37 позволяет проводить анализ спектра света распространяющегося от первого окончания 11 сердцевины 10 ко второму окончанию 12 сердцевины 10

Выполнение второго конца 12 сердцевины 10 в виде разветвления 40, содержащего первый фрагмент 41 и второй фрагмент 42, имеющие возможность оптического сопряжения, соответственно, с первым источником излучения 16 и первым приемником излучения 17 оптического модуля 15, позволяет одновременно направлять, используя первый фрагмент 41, свет, воздействующий на приемную зону 2, расположенную на приемном модуле 1, и регистрировать на первом приемнике излучения 17 оптического модуля 15 свет, распространяющийся от первого окончания 11 сердцевины 10 через второй фрагмент 42 второго окончания 12 сердцевины 10.

То, что световод 6 дополнительно содержит третье окончание 45 с третьим концом 50 сердцевины 10, который сопряжен со вторым приемником излучения 51, позволяет контролировать стабильность работы первого 16 и второго 32 источников излучения. Это позволяет осуществлять прецизионное воздействие на участок поверхности приемного модуля 1, включая приемную зону 2, используя первый источник излучения 16, и прецизионный контроль при помощи зондирующего излучения. Возможность прецизионного контроля стабильности работы источников излучения 16 и 32 повышает точность позиционирования первого окончания 11 сердцевины 10 над приемной зоной 2.

То, что приемный модуль 1 включает подложку 55 и держатель 56, при этом подложка 55 закреплена на держателе 56, блок ориентации 3 установлен на подложке 55, а приемная зона 2, первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 расположены на подложке 55, позволяет минимизировать размеры деталей 3 и 53 использующихся для закрепления световода 8 предварительно расположенного над приемной зоной 2 при помощи устройства ориентации. Использование деталей 3 и 53 малых размеров необходимо в устройствах прецизионного оптического воздействия, работающих в условиях низких температур или при термоциклировании для минимизации смещения первого окончания 11 сердцевины 10 относительно приемной зоны 2 при изменении температуры и обусловленного разностью коэффициентов линейного расширения материалов приемного модуля 1 и деталей 3 и 53. Таким образом, достигается высокая точность (0.2-0.3 мкм) позиционирования первого окончания 11 сердцевины 10 над приемной зоной 2 в широком интервале температур.

То, что приемный модуль 1 включает подложку 55 и держатель 56, при этом подложка 55 закреплена на держателе 56, блок ориентации 3 установлен на держателе 56, а приемная зона 2, первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 расположены на подложке 55, позволяет оперативно менять подложку 55, на которой расположены приемная зона 2, первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23, без замены держателя 56.

То, что в устройство введен оптический разъем 53, установленный в блоке ориентации 3, при этом первое окончание 8 световода 6 сопряжено с оптическим разъемом 53, позволяет:

1. оперативно менять первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 без нарушения других оптических сопряжений устройства прецизионного оптического воздействия;

2. обеспечивать возможность отсоединения первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 отсоединением разъема 53 позволяет выделить в отдельный автономный модуль подложку 55, блок ориентации 3 установленный на подложке 55, приемной зоной 2, первой зоной 20, второй зоной 21, третьей зоной 22 и четвертой зоной 23 расположенными на подложке 55, оптическим разъемом 53, деталями 3, 4, который может быть без разрушения устройства демонтирован и перенесен в другое устройство, например, работающее в экстремальных условиях.

То, что первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 приемного модуля 1 сформированы в виде фоточувствительных элементов, позволяет точно определять положение первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 относительно, а приемной зоны 2 приемного модуля 1 по измерению фотоотклика первой зоны 20, второй зоны 21, третьей зоны 22 и четвертой зоны 23 приемного модуля 1. Это позволяет позиционировать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2 приемного модуля 1 с точностью 0.2-0.3 мкм.

То, что первая зона 20, вторая зона 21, третья зона 22 и четвертая зона 23 приемного модуля 1 сформированы в виде люминесцентных элементов, позволяет точно определять положение первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 относительно приемной зоны 2 приемного модуля 1 по измерению люминесценции возникающей при облучении светом первой зоны 20, второй зоны 21, третьей зоны 22 и четвертой зоны 23 приемного модуля 1. При расположении первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 над первой зоной 20, второй зоной 21, третьей зоной 22 или четвертой зоной 23 приемного модуля 1 люминесцентное излучение через первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 распространяется по световоду и регистрируется и первым 17 приемником излучения. Это позволяет позиционировать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2 приемного модуля 1 с точностью 0.2-0.3 мкм.

То, что между подложкой 55, и держателем 56 расположен, по меньшей мере, один пьезокерамический элемент 60, позволяет формировать неоднородное распределение зон упругих напряжений на поверхности приемного модуля 1. В случае использования подложки 55 изготовленной из оптически активного материала, например, из ниобата лития, неоднородности упругих напряжений могут быть сформированы в виде маячков, позволяющих определять положение первого окончания 11 сердцевины 10 световода 6 относительно приемной зоны 2 по отражению поляризованного света, распространяющегося по сердцевине 10 световода 6. Это позволяет позиционировать первое окончание 11 сердцевины 10 световода 6 над приемной зоной 2 приемного модуля 1 с точностью 0.2-0.3 мкм.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается системы детектирования одиночных фотонов. Система включает в себя приемный модуль с приемной зоной, блок ориентации, оптический модуль и световод, который имеет оболочку с первым и вторым окончаниями и сердцевину с первым и вторым концами. Блок ориентации расположен на приемном модуле. Приемный модуль включает первую, вторую, третью и четвертую зоны, коэффициент отражения которых отличается от поверхности приемного модуля. Световод первым окончанием установлен в блоке ориентации, первым концом сердцевины оптически сопряжен с приемной зоной, а вторым концом сердцевины оптически сопряжен с источником излучения оптического модуля. Первый конец сердцевины имеет возможность оптического сопряжения с первой, второй, третьей и четвертой зонами. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности детектирования и увеличении надежности работы в условиях колебания внешних температур. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система детектирования одиночных фотонов, включающая приемный модуль с приемной зоной, блок ориентации, световод, включающий оболочку с первым окончанием и вторым окончанием, сердцевину с первым концом и вторым концом, а также оптический модуль, включающий первый источник излучения, причем блок ориентации расположен на приемном модуле, световод первым окончанием установлен в блоке ориентации, первым концом сердцевины оптически сопряжен с приемной зоной, а вторым концом сердцевины оптически сопряжен с первым источником излучения оптического модуля, причем приемный модуль включает первую зону, вторую зону, третью зону и четвертую зону, коэффициент отражения которых отличается от поверхности приемного модуля, оптический модуль дополнительно включает первый приемник излучения, при этом первый конец сердцевины имеет возможность оптического сопряжения с первой зоной, второй зоной, третьей зоной и четвертой зоной, а второй конец сердцевины дополнительно оптически сопряжен с первым приемником излучения оптического модуля.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве приемной зоны используется сверхпроводящий однофотонный детектор.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок ориентации выполнен в виде механического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью приемного модуля.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок ориентации выполнен в виде пьезокерамического двухкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью приемного модуля.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок ориентации выполнен в виде пьезокерамического трехкоординатного стола, обеспечивающего перемещение в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, совпадающей с поверхностью приемного модуля, а также по направлению третьей координаты Z, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что используется первый светоделитель, оптически сопряженный со вторым концом сердцевины, а также с первым источником излучения и первым приемником излучения оптического модуля.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что используется по меньшей мере один второй источник излучения, имеющий возможность оптического сопряжения со вторым концом сердцевины.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что используется первый поляризатор, установленный на выходе второго источника излучения.

9. Система по п. 7, отличающаяся тем, что используется второй поляризатор, установленный на входе первого приемника излучения.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый приемник излучения оптического модуля сопряжен с анализатором спектра регистрируемого излучения.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что второй конец сердцевины выполнен в виде разветвления, содержащего первый фрагмент и второй фрагмент, имеющие возможность оптического сопряжения с соответственно первым источником излучения и первым приемником излучения оптического модуля.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что световод дополнительно содержит третье окончание с третьим концом сердцевины, который сопряжен со вторым приемником излучения.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что приемный модуль включает подложку и держатель, при этом подложка закреплена на держателе, блок ориентации установлен на подложке, а приемная зона, первая зона, вторая зона, третья зона и четвертая зона расположены на подложке.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что приемный модуль включает подложку и держатель, при этом подложка закреплена на держателе, блок ориентации установлен на держателе, а приемная зона, первая зона, вторая зона, третья зона и четвертая зона расположены на подложке.

15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что используется оптический разъем, установленный в блоке ориентации, при этом первое окончание световода сопряжено с оптическим разъемом.

16. Система по п. 13, отличающаяся тем, что между подложкой и держателем расположен по меньшей мере один пьезокерамический элемент.