CN103634051A - 一种可波分复用单光子源的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可波分复用单光子源的产生装置，该装置包括：单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。本发明公开的装置具有兼容性较高且成本较低特点，并且产生单光子的纯净度也会更高。
Description
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种可波分复用单光子源的产生装置。
背景技术
在量子通信领域中，实现全量子网络是一个重要的目标，全量子网络的构建主要包含了以下几个部分，可以携带信息的量子光源，可以传播信息的信道，可以储存并发送信息的中继，可以接收信息的终端。其中量子光源的设计是必不可少的环节，通常所说的量子光源包含了量子纠缠光源和单光子源。纠缠光源可以利用各种非线性晶体的参量下转换过程产生，其保真度和产生效率都可以做得很高。而单光子源通常是利用各种量子体系的发光来实现。现在比较成熟的单光子源包含以下几种体系：
1）金刚石中的NV色心。高纯金刚石是无色透明的，而自然界中的发现的金刚石有各种颜色，这是由于金刚石内部杂质和缺陷造成的。在金刚石晶体中，大约有上百种发光缺陷，其中氮（N）是存在于自然金刚石中的主要杂质，当一个氮原子替代一个碳原子，并捕获周围一个空穴，会形成稳定的结构，我们称之为NV色心（Nitrogen Vacancycenter）。NV色心具有稳定的能级结构，可以发出荧光。由于空穴的存在，会使NV色心存在充电或者不充电的两种形态，两种色心都具有能级结构可以发射荧光，但性质不同。没有充电的NV色心为NV0，零声子线波长为575纳米，而充电色心NV－的零声子线波长637纳米（对应能量为1.945eV）。在一定条件下NV0和NV－可以相互转换，尤其是使用高功率激光泵浦时，NV0和NV－之间的转换非常快。室温下NV色心发射光谱可见谱比较宽（600mn-800mn），这是因为空穴的存在使NV色心具有较大的振动能量，从而导致较宽的声子边带。与普通染料或者胶质量子点，如CdSe（硒化镉），NV色心发光稳定，无光学漂白（bleaching）和闪烁（blinking）的效应，这使得其在长时间测量，稳定的单光子源方面非常有用。同样NV色心的吸收谱也比较宽，使用波长大于500纳米的激光都可以比较有效的激发。NV色心在室温下很宽的发射谱，导致光源丧失相干性，对一些应用不利；但是低温条件可以使NV色心的大部分能量都集中在零声子线上，具有很窄的谱宽。总结来说，NV色心的缺点在于能级寿命比较长（几十纳秒），所以发光效率并不是非常出众。还有就是发光波长固定，不利于量子通信扩展性需求。
2）单个束缚原子。单个原子体系由于所处的环境非常纯净，没有其他缺陷或声子的影响，单光子发射的纯净度很高，而且原子的能级寿命有的可以很短，因而发光效率也很高。但是自然界的中的原子都是以大团原子簇的形式出现的，想要捕获单个原子并稳定的束缚住它是非常困难的。现在一般采用磁光阱的方法来产生单原子光源。磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段。它由三对两两相互垂直.具有特定偏振组态井且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和反向亥姆雹谊线圈产生的梯度磁场构成。磁场的零点与光场的中心重合，负失谐的激光对原子产生阻尼。梯度磁场与激光的偏振相结合产生了对原子的束缚。这样就在空间对中性原子构成了一个带阻尼作用的简谐势阱。可以看出想要制备单原子单光子源，需要构建一个非常昂贵和复杂的系统，这样的系统毫无可集成性可言。而且这种束缚是非常不稳定的，原子很快就会跑掉，需要从新操作捕获新的单原子。
3）衰减激光。由于一直缺乏稳定可靠并且效率高的通讯波段（1550纳米）单光子源，现在的量子通信中一般使用衰减激光替代。实际使用中就是把经典激光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1个光子级别，从而大部分激光脉冲是不含光子，只有个别脉冲含有1个光子，还有更少量的含有多个光子。激光脉冲处于相干态上，也就是说光子数分布为泊松分布，而激光的衰减是线性的，衰减后的光脉冲光子数分布依然为泊松分布，分布性质没有任何改变。而单光子态是一种亚泊松分布，所以通过衰减得到的量子光源不是真正的单光子源，给量子通信中的安全性带来隐患。
另一方面，量子变频技术这些年得到了很大的发展。所谓的量子变频，就是在改变输出光子频率的同时，保持输入之前的量子态。目前为止，比较成熟的量子变频技术是基于原子系综的频率变换，即原子吸收一个光子，发射出另一个频率不同的光子。这种方法的缺点是输入输出光子的频率必须和原子的能级吻合，同时线宽也必须很窄。
另外，为了解决单光子长距离光纤通讯问题，某一科研小组最先实现了把量子点发射的单光子频率转换到1550纳米通讯波段。在他们的方案中，量子点的发光在911纳米。为了把它转换到1560纳米,他们使用了一束和量子点发光相同位置的锁模脉冲激光与另一束1560纳米的连续激光通过周期性极化铌酸锂晶体差频后得到了一束2.2微米的泵浦光，再用这束泵浦光与911纳米的单光子在周期性极化铌酸锂晶体波导中相互作用，把单光子的波长转换到了1560纳米。另一个小组通过搭建一套光学参量放大系统，把一束很强的532纳米连续激光转换到了1550纳米，然后作为泵浦光把量子点发出的711纳米的单光子转换到了1313纳米。但是，由于该科研小组应用到了多套昂贵和复杂的大型激光系统，所以对于实际量子网络建设来说成本较高，小型化和集成性也很差。
发明内容
本发明的目的是提供一种可波分复用单光子源的产生装置，其兼容性较高且成本较低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可波分复用单光子源的产生装置，该装置包括：单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；
其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；
所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；
所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，将单光子产生系统发出的单光子脉冲与另一束由泵浦光同步系统发出的泵浦光在量子变频系统中产生频率转换过程，产生1550纳米通讯波段的单光子，进而获得可波分复用的单光子源；该上述过程所采用的设备电光器件成本低且可集成性好，与现有的光纤通讯系统有非常良好的兼容性，得到单光子源的纯净度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例一提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的工作示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种775纳米量子点的荧光谱线的示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种周期性极化铌酸锂变频晶体结构的的示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种泵浦光强度与转换效率和信噪比的关系的示意图；
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：
单光子产生系统11、泵浦光同步系统12及量子变频系统13；
其中，所述单光子产生系统11，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统12，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统13；
所述泵浦光同步系统12，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；
所述量子变频系统13，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。
进一步的，所述单光子产生系统11包括：脉冲激光器111、光学分束器112、第一显微物镜113、低温光学腔114与第二显微物镜115；
所述脉冲激光器111，用于产生预定波长的激光脉冲；
光学分束器112，用于对所述激光脉冲进行分束处理；
所述第一显微物镜113，用于将光学分束器112反射的预定波长激光脉冲聚焦在所述低温光学腔114中的量子点样品上；
所述第二显微物镜115，用于将所述量子点样品发出的单光子脉冲发送至所述量子变频系统13。
进一步的，所述泵浦光同步系统12包括：光电倍增器121、半导体激光器122、光开关123与掺饵光纤放大器124；
其中，所述光电倍增器121，用于接收所述单光子产生系统发送的激光脉冲，并产生与所述激光脉冲相同重复频率的电脉冲；
所述半导体激光器122，用于输出连续可调谐的激光脉冲；
所述光开关123，用于将所述半导体激光器122输出的激光脉冲调制成与所述光电倍增器121发送的电脉冲同步的泵浦光；
所述掺饵光纤放大器124，用于将所述光开关123输出的泵浦光放大后输出。
进一步的，所述量子变频系统13包括：双色镜131、周期性极化铌酸锂晶体晶体132及波分复用器133；
其中，所述双色镜131，用于将所述单光子产生系统11发送的单光子脉冲，以及所述泵浦光同步系统12发送的泵浦光合成为一束激光脉冲；
所述周期性极化铌酸锂晶体132，用于对所述双色镜131发送的所述激光脉冲进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源；
所述波分复用器133，用于根据所述通讯波段的单光子源产生可波分复用单光子源。
本发明实施例将单光子产生系统发出的单光子源与另一束由泵浦光同步系统发出的泵浦光在量子变频系统中产生频率转换过程，产生同样通讯波段的单光子，进而获得可波分复用的单光子源；该上述过程所采用的设备电光器件成本低且可集成性好，与现有的光纤通讯系统有非常良好的兼容性。
实施例二
为了进一步介绍本发明，本发明实施例例举具体的数值对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，所例举的元件参数数值仅为便于理解本发明，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据需求或经验采用不同参数的元件。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的工作示意图。如图2所示，其主要包括：
1）775纳米单光子产生系统21。
其主要包括：脉冲激光器211，光学分束器212，第一长工作距离显微物镜213，放置好量子点样品的低温光学腔214，第二长工作距离显微物镜215。
本实施例中，脉冲激光器211的参数可以为：输出激光脉冲的波长为400纳米，输出激光脉冲重复频率76MHz，激光脉冲宽度为130飞秒，输入功率2毫瓦特。输出光束经过单模光纤整形后，变为纯的高斯模式光束，经过显微物镜聚焦后光斑可以接近衍射极限，直径约为1微米。
本实施例中，光学分束器212透射与反射比可以为1：9，将激光器输出的90%功率反射后用于泵浦同步，10%用来激发量子点样品产生荧光（单光子脉冲）。光学分束器212的形状可以为立方体，边长为25.4毫米，表面度400纳米增透膜。
本实施例中，透过光学分束器212的激光由第一长工作距离显微物镜213聚焦在样品上。该显微物镜的参数可以为：20倍平场复消色差物镜，工作距离30.8毫米，焦距长10毫米，数值孔径0.29，景深3.5微米，视场
毫米（目镜），分辨率1微米，波段400～1200纳米。
本实施例中，光学低温腔214可以通过输入液氦冷却到8K，腔长为50毫米，腔两侧的光学窗口直径为25.4毫米。
该光学低温腔214中的量子点样品可以为生长在GaAs（砷化镓）纳米线上的AlGaAs（铝镓砷）量子点。由于不同纳米线之间没有二维电子气相互作用，这种结构的量子点样品在使用能带隙上的激光激发时，单光子信号的信噪比要好于普通的样品。由于纳米线上表面态的存在，会使量子点发光谱线展宽，在一系列成功的优化之后，这样的样品的谱线展宽已经达到～0.15纳米的量级，如图3所示，为775纳米量子点的荧光谱线。这一方面保证了与周期性极化铌酸锂晶体晶体的转换带宽相匹配，另一方面也可以保证转换后的光子在波分复用时不会从多个通道出射。
本实施例中，量子点发出的荧光由第二长工作距离显微物镜215收集。该显微物镜的参数可以为：50倍平场消色差物镜，齐焦距离95毫米，工作距离20.5毫米，焦距长4毫米，数值孔径0.42，景深1.6微米，视场
毫米（
目镜），分辨率0.7微米。
2）泵浦光同步系统22。
其主要包括：光电倍增器221，半导体激光器222，光开关223，掺饵光纤放大器224。
本实施例中，被光学分束器212反射的脉冲激光（与所述单光子脉冲的频率一致）照射在光电倍增器221上，产生与激光脉冲同重复频率的电脉冲。该光电倍增器响应速度最高可达1GHz，在400-1000纳米波长范围的暗光应用中具有出色的性能。该光电倍增器采用了温度补偿电路，将偏压调节在约150VDC，使其工作在击穿电压附近，从而使光电倍增器在整个工作温度范围内保持高增益稳定性。
本实施例中，半导体激光器222为连续可调谐激光器。输出激光线宽可以为5兆赫兹，功率为50毫瓦特，输出波长可以在1490－1580纳米之间调节。
本实施例中，光开关223可以为响应带宽20G赫兹的电光调制器，调制波段为1500－1600纳米，半波电压为4.5伏特。当光电倍增器212输出的电脉冲作用于光开关223上时，该光开关223将半导体激光器212输出的连续激光斩成脉宽小于1纳秒的脉冲激光。
本实施例中，掺饵光纤放大器224将经过光开关223的脉冲激光放大，例如放大30dbm。它的工作波长可以为1533-1565纳米，输入和输出端均为保偏光纤。
3）量子变频系统。
其主要包含双色镜231，周期性极化铌酸锂晶体232，波分复用器233。
本实施例中，双色镜231将量子点的荧光和泵浦光合成一路。该双色镜231可以工作在45度，对于830纳米以上的光反射，830纳米以下的光可以透过。
本实施例中，周期性极化铌酸锂晶体232可以为Y轴向切割，长度为50毫米，表面刻蚀有三条波导，如图4所示。由双色镜10合成一路的量子点荧光和泵浦激光同时耦合到其中一条波导中发生频率转换，产生通讯波段的单光子。
本实施例中，波分复用器233可以为1进8出的粗波分复用器，工作波长为1270～1610纳米，隔离度大于20dB。变频产生的单光子源的波长可以通过调节周期性极化铌酸锂晶体232的温度改变，不同波长的单光子源从波分复用器233的不同通道输出，从而获得可波分复用单光子源。
本发明实施例中的量子变频系统，将发光波长位于775纳米附近的量子点发出的荧光，与另外一束波长在1550纳米波段的经典泵浦激光在周期性极化铌酸锂晶体中产生频率转换。其中，差频过程产生的光子波长也处于1550纳米附近，比如一个775纳米光子和一个1560纳米激光作用就可以产生波长在1540纳米的光子。换言之，在本发明中，只需要使用一个波长可调谐的1550纳米激光器，与单光子作用后即可产生同样通讯波段的单光子。1550纳米激光器和相关光纤，电光器件都是经典光纤通讯中所广泛使用的，技术非常成熟而且价格低廉。本发明与现有的光纤通讯系统有非常良好的兼容性，成本低且可集成性好。
进一步的，本发明实施例利用了独创的同步泵浦系统，使得输入到周期性极化铌酸锂晶体中的泵浦光脉冲和单光子脉冲相同步。由于在周期性极化铌酸锂中发生频率转换的一个重要条件是单光子脉冲与泵浦光在时间上的重合性。现有技术的其他类似的频率转换方案中，为了保证这种重合性，泵浦光一般为连续的强激光，所以单光子脉冲不管在任何时间点都可以产生频率转换。但是这样做的一个巨大缺点是，其中大部分的泵浦光对频率转换都没有贡献，只会带来更强的噪声。从图5所示的泵浦光强度与转换效率和信噪比的关系中可以看出，转换效率在很大范围内是和泵浦光强度成正比的，但是泵浦光增强会带来信噪比的下降，为了保证信噪比，在一定程度上就必须牺牲转换效率。而在此发明中，由于利用了光开关将泵浦光斩成了与单光子脉冲同步的脉冲激光，将对频率转换无贡献的泵浦光完全滤除，因而输入到周期性极化铌酸锂晶体中的泵浦光功率降低到原先的10%以下，从而明显提高了信噪比。
进一步的，本发明利用了周期性极化铌酸锂晶体转换波长对于温度的敏感性，来控制输出通讯波段单光子的波长，实现可波分复用的量子光源。对于目前实际应用中的单光子源来说，其波长都是唯一确定的，因为无论是固态还是原子体系，它们的能级结构都是固定的。即便通过外加电场和磁场等方法，可改变的范围也是非常小。具体对于量子点来说，每一个量子点发光波长都是基本不可改变的。虽然不同的量子点发光波长不相同，会有几十个纳米的分布范围，但是这种分布是完全随机的，而且不连续。而对于多方量子通讯来说，波长可调谐也是一个重要的需求。例如，使用波分复用的量子路由器，来实现多节点间的量子秘钥分发。这种多波长的波分复用，是通过几台不同工作波长的激光器之间的切换来实现的。对于量子点单光子源，如果想变换波长，只有事先选择好不同发光波长的量子点样品，并搭建多套共聚焦显微系统。由于量子点分布位置和发光波长的随机性，这样做的经济成本和复杂程度都是很高的。
总而言之，在本发明中，我们将利用半导体量子点发出的775纳米单光子，通过量子变频实现1550纳米波段可波分复用单光子源。通过一系列创新的设计，使得本发明和之前类似设计相比，在简化了装置节省了成本的同时，大大提高了转换效率和信噪比。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种可波分复用单光子源的产生装置，其特征在于，该装置包括：单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；
其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；
所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；
所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单光子产生系统包括：脉冲激光器、光学分束器、第一显微物镜、低温光学腔与第二显微物镜；
所述脉冲激光器，用于产生预定波长的激光脉冲；
光学分束器，用于对所述激光脉冲进行分束处理；
所述第一显微物镜，用于将光学分束器反射的预定波长激光脉冲聚焦在所述低温光学腔中的量子点样品上；
所述第二显微物镜，用于将所述量子点样品发出的单光子脉冲发送至所述量子变频系统。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵浦光同步系统包括：光电倍增器、半导体激光器、光开关与掺饵光纤放大器；
其中，所述光电倍增器，用于接收所述单光子产生系统发送的激光脉冲，并产生与所述激光脉冲相同重复频率的电脉冲；
所述半导体激光器，用于输出连续可调谐的激光脉冲；
所述光开关，用于将所述半导体激光器输出的激光脉冲调制成与所述光电倍增器发送的电脉冲同步的泵浦光；
所述掺饵光纤放大器，用于将所述光开关输出的泵浦光放大后输出。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子变频系统包括：双色镜、周期性极化铌酸锂晶体及波分复用器；
其中，所述双色镜，用于将所述单光子产生系统发送的单光子脉冲，以及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光合成为一束激光脉冲；
所述周期性极化铌酸锂晶体，用于对所述双色镜发送的所述激光脉冲进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源；
所述波分复用器，用于根据所述通讯波段的单光子源产生可波分复用单光子源。
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