CN103034015A - 偏振纠缠双光子产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种偏振纠缠双光子产生系统，包括有：泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至全保偏光纤非线性环形光路；全保偏光纤非线性环形光路，由带保偏尾纤的偏振分/合束器和非线性光纤媒质构成，使所述泵浦光分别沿顺时针和逆时针方向，独立激发自发的四波混频过程，产生具有纠缠特性的信号和闲频双光子；分光滤波装置，用于对剩余泵浦光及所述具有纠缠特性的信号和闲频双光子进行分离，得到偏振纠缠双光子。本发明不需要依靠任何偏振态调整装置，且开机不必附加调整操作，具有即插即用、噪声更低的特点，提供能够在常温下工作的高质量的偏振纠缠双光子。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息科学技术领域，特别涉及一种即插即用的偏振纠缠双光子产生系统。
背景技术
量子信息科学技术是量子力学和信息科学相结合发展起来的交叉学科，近年来受到了广泛的关注和研究。由于采用量子系统作为信息的载体，量子信息在通信和计算等科技领域有着经典信息技术无法比拟的优势和前景，具有重要的学术意义和应用价值。
光量子系统具有不易与外部物理环境耦合，便于通过量子通道进行可靠、高速和高效传送的特点。因此，以光量子作为量子信息的载体成为人们的研究量子信息的重要技术手段。实现光量子输出的物理器件称为量子光源，主要包括单光子源和纠缠双光子源两类。其中，纠缠双光子是实现量子信息功能所需的重要量子资源。常见的双光子间纠缠形式包括：动量和位置、时间和能量、时间片、偏振态、频率以及光场的正交振幅和位相信息等。在量子信息技术应用中，由于光子的偏振态易于控制和转换，使得偏振纠缠双光子被广泛使用。因此，产生偏振纠缠双光子的偏振纠缠量子光源成为量子信息技术中的关键功能单元。
利用非线性光学材料中自发的非线性光学过程可以实现偏振纠缠量子光源。光纤是一种很好的非线性光学材料，这主要得益于它的低损耗和单空间模式特性。利用光纤中自发的四波混频过程，人们已经实现了光通信波段偏振纠缠双光子的产生。使用的光纤可分为没有双折射的光纤和具有双折射的光纤两类。没有双折射的光纤，如色散位移光纤，利用它产生偏振纠缠双光子需要借助辅助的光路结构，比如时分复用装置和偏振多样性环路，这些附加装置每次开机都需要精细调整，不利于进一步实用化发展。近年来，我们提出了直线型全保偏光纤偏振纠缠产生双光子的方案，其可以避免使用辅助的光路结构，进一步推进光纤基偏振纠缠量子光源的实用化；但在该方案中，由于光纤双折射带来的走离导致产生偏振纠缠量子态的退相干，因此该方案需要对双折射的走离进行精细的补偿，使光纤基偏振纠缠量子光源的生成增加了困难。
因此，现有技术仍有待于改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种偏振纠缠双光子产生系统，其不需要依靠任何偏振态调整装置，且开机不必附加调整操作，具有即插即用的特点。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明提供一种偏振纠缠双光子产生系统，包括有：
泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至全保偏光纤非线性环形光路；
全保偏光纤非线性环形光路，由带保偏尾纤的偏振分/合束器和非线性光纤媒质构成，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的一输出端与非线性光纤媒质的一端熔接，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的另一输出端与非线性光纤媒质的另一端熔接；
所述全保偏光纤非线性环形光路使所述泵浦光分别沿顺时针和逆时针方向，独立激发自发的四波混频过程，产生具有纠缠特性的信号和闲频双光子；
分光滤波装置，用于对剩余泵浦光及所述具有纠缠特性的信号和闲频双光子进行分离，得到偏振纠缠双光子。
优选的，所述系统进一步包括带保偏尾纤的环形器，该带保偏尾纤的环形器有三个端口，其第一端口连接所述泵浦光发生装置，其第二端口连接所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的公共端，其第三端口连接所述分光滤波装置的输入端。
优选的，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光与所述带保偏尾纤的偏振分/合束器呈45度夹角。
优选的，所述全保偏光纤非线性环形光路进一步用于滤除所述信号和闲频双光子产生的部分拉曼噪声光子。
优选的，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光具有大于120分贝的边带抑制特性。
优选的，所述泵浦光发生装置进一步包括：
脉冲光源，用于输出脉冲泵浦光；
可调光学衰减器，用于调节所述脉冲泵浦光的功率；
起偏器，用于将所述可调光学衰减器调整后的脉冲泵浦光的偏振态转化为线偏振；
偏振控制器，用于调整经所述起偏器调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉冲泵浦光输出至所述带保偏尾纤的环形器的第一端口。
优选的，所述偏振控制器为可旋转的半波片，该可旋转的半波片由光纤绕制而成；
或所述偏振控制器为可旋转的半波片，该可旋转的半波片为带光纤接口输出封装的晶体材料半波片。
优选的，所述非线性光纤媒质为：保偏的石英光纤、保偏的微结构石英光纤、保偏的光子晶体石英光纤或保偏的硫化物光纤。
优选的，所述分光滤波装置为通带隔离度大于120分贝的多端口滤波器或滤波器组合。
优选的，所述分光滤波装置为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器、密集光波分复用器件以及光波分复用器件中的一种或任意种的组合。
本发明通过提供一种偏振纠缠双光子产生系统，不需要依靠任何偏振态调整装置，且开机不必附加调整操作，具有即插即用、噪声更低的特点，提供能够在常温下工作的高质量的偏振纠缠双光子，可广泛用于量子光学和量子信息学等基础研究和应用研究，如量子网络，量子保密通信，量子计算以及光与原子的相互作用等领域。
附图说明
图1为本发明一实施例中的全保偏光纤非线性环形光路示意图；
图2为本发明一实施例中产生偏振纠缠双光子的结构示意图；
图3为本发明一实施例中偏振纠缠双光子的层析检测装置示意图。
具体实施方式
下面对于本发明所提出的一种偏振纠缠双光子产生系统，结合附图和实施例详细说明。
如图1所示，本发明的核心思想在于：利用全保偏光纤非线性环形光路中，顺时针和逆时针方向独立激励的自发的四波混频过程，实现关联双光子态的产生；利用所述全保偏光纤非线性环形光路中带有保偏尾纤的偏振分/合束器6，将产生的所述关联双光子态映射为偏振方向相互正交的两个关联双光子态，并将它们在时空上相干叠加，产生具有纠缠特性的信号和闲频双光子；同时，利用带保偏尾纤的偏振分/合束器6的偏振滤波作用，滤除所述信号和闲频双光子产生的部分拉曼噪声光子。
如图1、图2所示，本发明提供一种偏振纠缠双光子产生系统，包括有：
泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至全保偏光纤非线性环形光路；
全保偏光纤非线性环形光路，由带保偏尾纤的偏振分/合束器6和非线性光纤媒质7构成，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器6的一输出端与非线性光纤媒质7的一端熔接，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器6的另一输出端与非线性光纤媒质7的另一端熔接；
所述全保偏光纤非线性环形光路使所述泵浦光分别沿顺时针和逆时针方向，独立激发自发的四波混频过程，产生具有纠缠特性的信号和闲频双光子；
分光滤波装置8，用于对剩余泵浦光及所述具有纠缠特性的信号和闲频双光子进行分离，得到偏振纠缠双光子。
其中，所述脉冲泵浦光通过带保偏尾纤的偏振分/合束器6后，分成等功率的两束线偏振光，分别沿顺时针和逆时针方向注入所述全保偏光纤非线性环形光路中，并且两方向的脉冲泵浦光偏振方向都平行于保偏的非线性光纤媒质7的某一双折射主轴方向（如快轴方向）；沿顺时针和逆时针方向传播的脉冲泵浦光，分别在该两方向上独立激发自发的四波混频过程，产生信号和闲频关联双光子态，该信号和闲频关联双光子态具有相同的偏振方向；沿着所述全保偏光纤非线性环形光路传输一圈后，所述信号和闲频关联双光子态以及剩余的脉冲泵浦光再次进入带保偏尾纤的偏振分/合束器6中，将产生的所述信号和闲频关联双光子态映射为偏振方向相互正交的两个关联双光子态，并通过偏振合波过程将它们在时空上相干叠加，形成具有纠缠特性的信号和闲频双光子。
优选的，所述全保偏光纤非线性环形光路进一步用于滤除所述信号和闲频双光子产生的部分拉曼噪声光子。带保偏尾纤的偏振分/合束器6利用其偏振滤波作用，滤除在保偏的非线性光纤媒质7另一双折射主轴方向上（如慢轴方向）产生的拉曼噪声光子。
优选的，如图2所示，所述系统进一步包括带保偏尾纤的环形器5，该带保偏尾纤的环形器有三个端口，其第一端口连接所述泵浦光发生装置，其第二端口连接所述带保偏尾纤的偏振分/合束器6的公共端，其第三端口连接所述分光滤波装置8的输入端。
优选的，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光与所述带保偏尾纤的偏振分/合束器6呈45度夹角。
优选的，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光具有大于120分贝的边带抑制特性。
优选的，如图2所示，所述泵浦光发生装置进一步包括：
脉冲光源1，用于输出脉冲泵浦光；所述脉冲光源1可由被动锁模激光器、主动锁模激光器、被动调Q激光器、主动调Q激光器、直调半导体激光器、具有增益开关效应的脉冲半导体激光器、以及外调制半导体激光器提供。
可调光学衰减器2，用于调节所述脉冲泵浦光的功率；所述可调衰减器2可以是任何光纤挤压或镀膜形式的可调衰减器。
起偏器3，用于将所述可调光学衰减器调整后的脉冲泵浦光的偏振态转化为线偏振；所述起偏器3是任何能够形成特定光偏振态的光学器件，可为光纤偏振分束器、镀金属的光纤起偏器、或光学晶体偏振分光棱镜等。
偏振控制器4，用于调整经所述起偏器调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉冲泵浦光输出至所述带保偏尾纤的环形器的第一端口；所述偏振控制器4为可旋转的半波片，该可旋转的半波片由光纤绕制而成；或为带光纤接口输出封装的晶体材料半波片。
优选的，所述非线性光纤媒质7为：保偏的石英光纤、保偏的微结构石英光纤、保偏的光子晶体石英光纤或保偏的硫化物光纤以及其他材料的保偏非线性光纤等。
优选的，所述分光滤波装置8为通带隔离度大于120分贝的多端口滤波器或滤波器组合；可为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器、粗光波分复用器件以及密集光波分复用器件中的一种或任意种的组合。
以下通过一具体实施例进一步说明偏振纠缠双光子产生系统，该系统具有全保偏的特性：
所述脉冲光源1输出脉冲泵浦光的功率和偏振状态，分别由可调光学衰减器2、起偏器3和旋转的半波片4控制；紧接着，输入到带有保偏尾纤的环形器5的第一端口中；并从带有保偏尾纤的环形器5的第二端口输出；该带有保偏尾纤的环形器5的第二端口和带保偏尾纤的偏振分/合束器6的公共端连接在一起。带保偏尾纤的偏振分/合束器6的两个输出端和一段保偏的非线性光纤媒质7熔接在一起，构成全保偏光纤非线性环形光路。在全保偏光纤非线性环形光路中产生的偏振纠缠双光子以及剩余脉冲泵浦光，从带保偏尾纤的环形器5的第三端口输出，直接进入到分光滤波装置8中。经过分光滤波装置8后，可以实现剩余脉冲泵浦光、具有偏振纠缠特性的信号光和闲频光的分离。所述偏振纠缠双光子对于脉冲泵浦光的隔离度大于120分贝。
本实施例选取的保偏的非线性光纤媒质7为保偏的色散位移光纤，其具体参数如表1所示。
表1
本实施例选用的脉冲光源1为1.5微米波段的被动锁模光纤激光器加光学滤波和光功率放大获得；脉冲泵浦光的波长为1552.52nm，线宽为0.2nm，重复频率为4MHz，边带抑制比大于120分贝；可调衰减器2采用镀膜型可调光衰减器；起偏器3和可旋转的半波片4选用具有光纤封装的光学晶体；分光滤波装置8由密集波分复用器件组成，且其对所述脉冲泵浦光的隔离度大于120分贝，最终选取的信号和闲频双光子的波长分别为1555.75nm和1549.35nm。
产生的偏振纠缠双光子的层析检测由如图3中虚线框内所示的装置完成。由分光滤波装置8产生的信号光子进入由偏振控制器13、可旋转四分之一波片14、可旋转二分之一波片15和偏振片16构成的偏振分析仪，而后由单光子探测器17进行探测计数；所述闲频光子进入由偏振控制器9，可旋转四分之一波片10、可旋转二分之一波片11和偏振片12构成的偏振分析仪，而后由单光子探测器18计数测量；输出的剩余脉冲泵浦光由光电探测器20探测后输出电脉冲，用作单光子探测器的触发信号。单光子探测器17和单光子探测器18的输出信号送到符合计数系统19进行量子纠缠特性分析。
本发明通过提供一种偏振纠缠双光子产生系统，不需要依靠任何偏振态调整装置，且开机不必附加调整操作，具有即插即用、噪声更低的特点，提供能够在常温下工作的高质量的偏振纠缠双光子，可广泛用于量子光学和量子信息学等基础研究和应用研究，如量子网络，量子保密通信，量子计算以及光与原子的相互作用等领域。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种偏振纠缠双光子产生系统，其特征在于，包括有：
泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至全保偏光纤非线性环形光路；
全保偏光纤非线性环形光路，由带保偏尾纤的偏振分/合束器和非线性光纤媒质构成，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的一输出端与非线性光纤媒质的一端熔接，所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的另一输出端与非线性光纤媒质的另一端熔接；
所述全保偏光纤非线性环形光路使所述泵浦光分别沿顺时针和逆时针方向，独立激发自发的四波混频过程，产生具有纠缠特性的信号和闲频双光子；
分光滤波装置，用于对剩余泵浦光及所述具有纠缠特性的信号和闲频双光子进行分离，得到偏振纠缠双光子。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括带保偏尾纤的环形器，该带保偏尾纤的环形器有三个端口，其第一端口连接所述泵浦光发生装置，其第二端口连接所述带保偏尾纤的偏振分/合束器的公共端，其第三端口连接所述分光滤波装置的输入端。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光与所述带保偏尾纤的偏振分/合束器呈45度夹角。
4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述全保偏光纤非线性环形光路进一步用于滤除所述信号和闲频双光子产生的部分拉曼噪声光子。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦光发生装置生成的脉冲泵浦光具有大于120分贝的边带抑制特性。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述泵浦光发生装置进一步包括：
脉冲光源，用于输出脉冲泵浦光；
可调光学衰减器，用于调节所述脉冲泵浦光的功率；
起偏器，用于将所述可调光学衰减器调整后的脉冲泵浦光的偏振态转化为线偏振；
偏振控制器，用于调整经所述起偏器调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉冲泵浦光输出至所述带保偏尾纤的环形器的第一端口。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述偏振控制器为可旋转的半波片，该可旋转的半波片由光纤绕制而成；
或所述偏振控制器为可旋转的半波片，该可旋转的半波片为带光纤接口输出封装的晶体材料半波片。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述非线性光纤媒质为：保偏的石英光纤、保偏的微结构石英光纤、保偏的光子晶体石英光纤或保偏的硫化物光纤。
9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分光滤波装置为通带隔离度大于120分贝的多端口滤波器或滤波器组合。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光滤波装置为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器、密集光波分复用器件以及光波分复用器件中的一种或任意种的组合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |