CN102654716B - 一种纠缠光子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纠缠光子源，包括光源系统以及转换系统。其中，光源系统用于产生波长为518nm的第一泵浦光。转换系统用于在第一泵浦光的作用下产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，并分离纠缠光子对，以形成第一输出光和第二输出光。通过上述方式，本发明的纠缠光子源利用518nm的泵浦光产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，进而能够利用该纠缠光子源关联量子通信网络与量子中继器。
Description
技术领域
本发明涉及量子光学领域，特别是涉及一种纠缠光子源。
背景技术
目前，在量子通信网络中，基于诱骗态的量子密钥分发技术被广泛应用。但是，由于诱骗态方案的基本原理的限制，诱骗态方案无法实现全球化的量子通信网络。全球化量子通信必须采用另一种方案，即基于量子中继器的量子密钥分发网络。但是，光纤量子通信采用的光子波长是1550nm附近的光纤传播窗口，而量子中继器采用的光学窗口一般为780nm或者795nm，导致量子通信网络与量子中继器之间无法实现关联。因此，有必要研制一种能够将量子通信网络与量子中继器相关联的纠缠光子源。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种纠缠光子源，以实现量子通信网络与量子中继器之间的关联。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种纠缠光子源，包括光源系统以及转换系统。光源系统用于产生波长为518nm的第一泵浦光。转换系统用于在第一泵浦光的作用下产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，并分离纠缠光子对，以形成第一输出光和第二输出光。其中，转换系统包括偏振分束器、半波片、第一反射镜、第二反射镜以及PPKTP晶体。偏振分束器用于将第一泵浦光分束成沿不同方向传输的第一偏振态的第二泵浦光和第二偏振态的第三泵浦光。半波片用于将第三泵浦光的偏振状态转换成第一偏振态。第一反射镜将偏振分束器输出的第二泵浦光反射至PPKTP晶体，PPKTP晶体在第二泵浦光的作用下产生第一孪生光子对，第一孪生光子对包括波长为1550nm的第一偏振态的第一光子以及波长为780nm的第二偏振态的第二光子，第二反射镜将第一孪生光子对反射至半波片。半波片将第一光子的偏振状态转换成第二偏振态，将第二光子的偏振状态转换成第一偏振态，并将第一孪生光子对输出至偏振分束器。第二反射镜进一步将半波片输出的第三泵浦光反射至PPKTP晶体，PPKTP晶体在第三泵浦光的作用下产生第二孪生光子对，第二孪生光子对包括波长为1550nm的第一偏振态的第三光子以及波长为780nm的第二偏振态的第四光子。第一反射镜进一步将第二孪生光子对反射至偏振分束器，第一孪生光子对和第二孪生光子对在偏振分束器进行相干重合，以形成纠缠光子对，纠缠光子对包括第一光子和第三光子中的任意一个以及第二光子和第四光子中的对应孪生光子。偏振分束器进一步使得第一光子和第三光子沿第一方向传输，以形成第一输出光，并使得第二光子和第四光子沿第二方向传输，以形成第二输出光。
其中，转换系统进一步包括偏振控制器，偏振控制器将第一泵浦光的偏振状态调整成45度偏振态，且第一偏振态为水平偏振态，第二偏振态为垂直偏振态。
其中，第一反射镜进一步将经PPKTP晶体透射的第三泵浦光反射至偏振分束器，第二反射镜进一步将经PPKTP晶体透射的第二泵浦光反射至半波片，半波片将第二泵浦光的偏振状态转换成第二偏振态，并输出至偏振分束器，偏振分束器将第一反射镜反射的第三泵浦光和半波片输出的第二泵浦光输出为与第一泵浦光反向传输的第四泵浦光。转换系统进一步包括光隔离器，光隔离器通过第一泵浦光且阻止第四泵浦光。
其中，第一输出光与第四泵浦光同向传输，转换系统进一步包括分光滤光片，分光滤光片透射第一泵浦光和第四泵浦光，且反射第一输出光。
其中，转换系统进一步包括聚焦透镜，聚焦透镜用于对第一泵浦光进行聚焦，以使得第二泵浦光和第三泵浦光聚焦于PPKTP晶体上。
其中，光源系统包括激光器以及倍频晶体。激光器用于产生波长为1036nm的初始泵浦光。倍频晶体用于在初始泵浦光的作用下产生第一泵浦光。
其中，光源系统进一步包括分光滤光片，用于透射第一泵浦光，且反射初始泵浦光。
其中，光源系统进一步包括聚焦透镜，用于将初始泵浦光聚焦于倍频晶体上。
其中，光源系统以脉冲方式产生第一泵浦光。
通过上述方式，本发明的纠缠光子源利用518nm的泵浦光产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，进而能够实现量子通信网络与量子中继器之间的关联。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的纠缠光子源的示意框图；
图2是根据本发明一实施例的光源系统的示意框图；
图3是根据本发明一实施例的转换系统的示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
请参见图1，图1是根据本发明的第一实施例的纠缠光子源的示意框图。如图1所示，本发明的纠缠光子源主要包括光源系统10和转换系统11。在本实施例中，光源系统10用于产生波长为518nm的第一泵浦光。转换系统11用于在第一泵浦光的作用下产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，并分离该纠缠光子对，以形成第一输出光和第二输出光。在优选实施例中，光源系统10以脉冲方式产生第一泵浦光。
在传统的纠缠光子源中，纠缠光子的波长一般为简并的，即同一纠缠光子对的两个纠缠光子的波长均为780nm附近或者1550nm附近。当然，在个别设计中，也存在采用532nm的连续激光器制备1550nm和810nm的纠缠光子对的纠缠光子源。但是，由于光子波长的限制，使得上述纠缠光子源无法应用于量子中继器，进而实现量子通信网络与量子中继器之间的关联。此外，由于采用连续激光器，使得纠缠光子的出射完全是随机的，限制其应用和扩展。
在本实施例中，采用518nm的脉冲光作为泵浦光，可以使得纠缠光子对中的一纠缠光子的波长为780nm，而另一纠缠光子的波长为1550nm，进而能够实现量子通信网络与量子中继器之间的关联。同时，纠缠光子对的发射在时域上有限制，保留了将纠缠光子源升级为确定性光源的潜能。
在本发明中，光源系统10可通过倍频方式产生，当然也可以由本领域公知的各种其他方式产生。
请参见图2，图2是根据本发明一实施例的光源系统的示意框图。本实施例的光源系统10主要包括：激光器101、聚焦透镜102、倍频晶体103以及分光滤光片104。在本实施例中，激光器101可采用商用的掺杂Yb的1036nm光纤激光器，其用于产生波长为1036nm的初始泵浦光。聚焦透镜102将激光器101产生的初始泵浦光聚焦到倍频晶体103。倍频晶体103可采用PPLN（周期性极化铌酸锂）倍频晶体，其在初始泵浦光的作用下通过光学倍频效应产生518nm的第一泵浦光。倍频晶体103产生的518nm的第一泵浦光和剩余的1036nm的初始泵浦光入射到分光滤光片104，并由分光滤光片104透射第一泵浦光，且反射初始泵浦光，进而实现二者的空间分离，避免初始泵浦光进入后续的转换系统11。在本实施例中，聚焦透镜102可根据由透镜组代替或省略，而分光滤光片104可由吸收型滤光片代替或省略。
在本发明中，转换系统11一般可通过波长为518nm的第一泵浦光泵浦PPKTP晶体（周期性极化磷酸氧钛钾晶体）来产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，其具体光路根据实际需要采用各种设计，并不局限于本发明下文描述的转换系统11。
请参见图3，图3根据本发明一实施例的转换系统的示意框图。如图3所示，本实施例的转换系统11主要包括：光隔离器111、偏振控制器112、聚焦透镜113、分光滤光片114、偏振分束器115、第一反射镜116、PPKTP晶体117、半波片118以及第二反射镜119。
其中，光源系统10输出的518nm的第一泵浦光正向入射到光隔离器111。光隔离器111具有正向通过且反向阻止的特性，因而允许第一泵浦光通过光隔离器111入射到偏振控制器112。偏振控制器112对第一泵浦光的偏振状态进行调整，例如在本实施例中可将第一泵浦光的偏振状态调整成45度偏振态。进行偏振状态调整后的第一泵浦光经聚焦透镜113聚焦，再经分光滤光片114透射后入射到偏振分束器115。
偏振分束器115将第一泵浦光分束成沿不同方向传输的第一偏振态的第二泵浦光和第二偏振态的第三泵浦光。在本实施例中，偏振分束器115透射第一偏振态的第一泵浦光，而反射第二偏振态的第一泵浦光，进而分别形成第二泵浦光和第三泵浦光。此外，在本实施例中，第一偏振态为水平偏振态，而第二偏振态为垂直偏振态。当然，在其他实施例中，二者也可以互换。
偏振分束器115输出的第二泵浦光进一步入射到第一反射镜116。第一反射镜116将偏振分束器115输出的第二泵浦光反射至PPKTP晶体117，并在聚焦透镜113对第一泵浦光的聚焦作用下聚焦于PPKTP晶体117上。PPKTP晶体117在第二泵浦光的作用下产生第一孪生光子对，第一孪生光子对包括波长为1550nm的第一偏振态的第一光子以及波长为780nm的第二偏振态的第二光子。具体来说，第二泵浦光中的泵浦光子以一定几率经历参量下转换过程，进而分裂为一对孪生光子，即第一孪生光子对。
在本实施例中，PPKTP晶体117产生的第一光子为水平偏振态且波长为1550nm，而PPKTP晶体117产生的第二光子为垂直偏振态且波长为780nm，上述两种光子可分别表示为H1550和V780光子。
PPKTP晶体117产生的上述第一孪生光子对进一步入射到第二反射镜119。第二反射镜119将第一孪生光子对反射至半波片118。半波片118将第一光子的偏振状态转换成第二偏振态，并将第二光子的偏振状态转换成第一偏振态，并将第一孪生光子对输出至偏振分束器115。在本实施例中，通过半波片118后的第一光子的偏振状态由水平偏振态转换成垂直偏振态，而第二光子的偏振状态由垂直偏振态转换成水平偏振态，此时这两种光子可分别表示为V1550和H780光子。
偏振分束器115输出的第三泵浦光进一步入射到半波片118，半波片118对第三泵浦光的偏振状态进行反转，即将第三泵浦光的偏振状态转换成第一偏振态。第二反射镜119进一步将半波片118输出的第三泵浦光反射至PPKTP晶体117，并在聚焦透镜113对第一泵浦光的聚焦作用下聚焦于PPKTP晶体117上。PPKTP晶体117在第三泵浦光的作用下产生第二孪生光子对，第二孪生光子对包括波长为1550nm的第一偏振态的第三光子以及波长为780nm的第二偏振态的第四光子。在本实施例中，PPKTP晶体117产生的第三光子为水平偏振态且波长为1550nm，而PPKTP晶体117产生的第四光子为垂直偏振态且波长为780nm，上述两种光子同样可分别表示为H1550和V780光子。
PPKTP晶体117产生的上述第二孪生光子对进一步入射到第一反射镜116。第一反射镜116进一步将第二孪生光子对反射至偏振分束器115。第一孪生光子对和第二孪生光子对在偏振分束器115进行相干重合，以形成纠缠光子对。纠缠光子对包括第一光子和第三光子中的任意一个以及第二光子和第四光子中的对应孪生光子。
偏振分束器115进一步使得第一光子和第三光子沿第一方向传输，以形成第一输出光，并使得第二光子和第四光子沿第二方向传输，以形成第二输出光。在本实施例中，偏振分束器115反射垂直偏振态的第一光子且透射水平偏振态的第三光子，同时透射水平偏振态的第二光子且反射竖直偏振态的第四光子，进而使得偏振分束器115的端口A输出的第一输出光中的光子为H1550和V1550光子，而端口B输出的第二输出光中的光子H780和V780光子。
需要进一步说明的是，在本发明中，入射到PPKTP晶体117的第二泵浦光和第三泵浦光可能仅被PPKTP晶体117部分吸收，剩余的第二泵浦光和第三泵浦光会进一步经PPKTP晶体117透射。因此，第一反射镜116进一步将经PPKTP晶体117透射的第三泵浦光反射至偏振分束器115。第二反射镜119进一步将经PPKTP晶体117透射的第二泵浦光反射至半波片118。半波片118将第二泵浦光的偏振状态转换成第二偏振态，并输出至偏振分束器115。偏振分束器115将第一反射镜116反射的第三泵浦光和半波片118输出的第二泵浦光输出为与第一泵浦光反向传输的第四泵浦光，并经分光滤光片114、聚焦透镜113以及偏振控制器112透射后反向入射到光隔离器111，并被光隔离器111阻止。
进一步，在本实施例中，偏振分束器115的端口A输出的第一输出光与第四泵浦光为同向传输，因此可将分光滤光片114设置成进一步反射第一输出光，进而实现第一输出光与第四泵浦光的空间分离。
在上述实施例中，偏振分束器115和半波片118同时在518nm、780nm和1550nm三个波长同时工作，因此可降低系统复杂度。另外，光隔离器111、偏振控制器112、聚焦透镜113以及分光滤光片114作为上述实施例的非必要元件，可根据实际情况进行省略或由其他能够实现类似功能的元件代替。
通过上述方式，本发明的纠缠光子源利用518nm的泵浦光产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，进而能够实现量子通信网络与量子中继器之间的关联。此外，通过第一反射镜和第二反射镜配合三波长的偏振分束器和半波片可降低系统的复杂度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种纠缠光子源，其特征在于，包括：
光源系统，用于产生波长为518nm的第一泵浦光；
转换系统，用于在所述第一泵浦光的作用下产生波长分别为1550nm和780nm的纠缠光子对，并分离所述纠缠光子对，以形成第一输出光和第二输出光；
所述转换系统包括：
偏振分束器，用于将所述第一泵浦光分束成沿不同方向传输的第一偏振态的第二泵浦光和第二偏振态的第三泵浦光；
半波片，用于将所述第三泵浦光的偏振状态转换成所述第一偏振态；
第一反射镜、第二反射镜以及PPKTP晶体，所述第一反射镜将所述偏振分束器输出的所述第二泵浦光反射至所述PPKTP晶体，所述PPKTP晶体在所述第二泵浦光的作用下产生第一孪生光子对，所述第一孪生光子对包括波长为1550nm的所述第一偏振态的第一光子以及波长为780nm的所述第二偏振态的第二光子，所述第二反射镜将所述第一孪生光子对反射至所述半波片，所述半波片将所述第一光子的偏振状态转换成所述第二偏振态，将所述第二光子的偏振状态转换成所述第一偏振态，并将所述第一孪生光子对输出至所述偏振分束器，所述第二反射镜进一步将所述半波片输出的所述第三泵浦光反射至所述PPKTP晶体，所述PPKTP晶体在所述第三泵浦光的作用下产生第二孪生光子对，所述第二孪生光子对包括波长为1550nm的所述第一偏振态的第三光子以及波长为780nm的所述第二偏振态的第四光子，所述第一反射镜进一步将所述第二孪生光子对反射至所述偏振分束器，所述第一孪生光子对和所述第二孪生光子对在所述偏振分束器进行相干重合，以形成所述纠缠光子对，所述纠缠光子对包括所述第一光子和所述第三光子中的任意一个以及所述第二光子和所述第四光子中的对应孪生光子，所述偏振分束器进一步使得所述第一光子和所述第三光子沿第一方向传输，以形成所述第一输出光，并使得所述第二光子和所述第四光子沿第二方向传输，以形成所述第二输出光。
2.根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征在于，所述转换系统进一步包括偏振控制器，所述偏振控制器将所述第一泵浦光的偏振状态调整成45度偏振态，且所述第一偏振态为水平偏振态，所述第二偏振态为垂直偏振态。
3.根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征在于，所述第一反射镜进一步将经所述PPKTP晶体透射的所述第三泵浦光反射至所述偏振分束器，所述第二反射镜进一步将经所述PPKTP晶体透射的所述第二泵浦光反射至所述半波片，所述半波片将所述第二泵浦光的偏振状态转换成所述第二偏振态，并输出至所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述第一反射镜反射的所述第三泵浦光和所述半波片输出的所述第二泵浦光输出为与所述第一泵浦光反向传输的第四泵浦光，所述转换系统进一步包括光隔离器，所述光隔离器通过所述第一泵浦光且阻止所述第四泵浦光。
4.根据权利要求3所述的纠缠光子源，其特征在于，所述第一输出光与所述第四泵浦光同向传输，所述转换系统进一步包括分光滤光片，所述分光滤光片透射所述第一泵浦光和所述第四泵浦光，且反射所述第一输出光。
5.根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征在于，所述转换系统进一步包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对所述第一泵浦光进行聚焦，以使得所述第二泵浦光和所述第三泵浦光聚焦于所述PPKTP晶体上。
6.根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征在于，所述光源系统包括：
激光器，用于产生波长为1036nm的初始泵浦光；
倍频晶体，用于在所述初始泵浦光的作用下产生所述第一泵浦光。
7.根据权利要求6所述的纠缠光子源，其特征在于，所述光源系统进一步包括分光滤光片，用于透射所述第一泵浦光，且反射所述初始泵浦光。
8.根据权利要求6所述的纠缠光子源，其特征在于，所述光源系统进一步包括聚焦透镜，用于将所述初始泵浦光聚焦于所述倍频晶体上。
9.根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征在于，所述光源系统以脉冲方式产生所述第一泵浦光。
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