CN103901700A - 波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子技术领域。为提供一种波长可调和频谱可控的、具有小型化、低成本和高纯度特征的量子关联光子对源。为此，本发明采用的技术方案是：使用950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲激光作为泵浦光；通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，由非线性介质中的自发四波混频过程产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对。本发明主要应用于量子技术场合。

Description

波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源及生成方法

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及波长可调和频谱可控的小型化量子关联光子对源制备，以及量子关联光子对在量子态制备等量子信息技术中的应用

背景技术

量子关联光子对是指在时间、能量、动量及偏振等自由度上具有量子关联特性的一对光子，通常也可简称为关联光子对。利用量子关联光子对可以制备多种量子态：例如，可通过特定的相位匹配技术或后选择技术，制备时间、频率、偏振等不同维度的光子纠缠态；还可利用光子对中一个光子的探测信号来宣布另一个光子的存在，制备宣布式单光子态。研究表明，纠缠光子和单光子是实现量子密钥、量子测量、量子计算等量子信息技术的基础，因此量子关联光子对源被视为量子信息技术领域中的一种关键资源。

量子信息技术对量子关联光子对源的基本要求是亮度高（即单位时间、单位模式内的关联光子对产生率高）和保真性好（即关联光子对纯度高、噪声光子少）；同时，量子信息技术的实用化发展还要求量子关联光子对源具备小型化和低成本化的特点。而针对量子关联光子源的输出特性，则包括两个重要的特征指标，即输出关联光子对的波长调谐、波段覆盖能力以及关联光子对的频谱关联特性。

量子关联光子对的波长调谐和波段覆盖能力决定了其在量子信息技术中的应用范围。例如，在量子密钥应用中，将信息编码于通讯波段光子、并利用现有光纤网络进行传输是实现密钥长距离、高效率分发的理想解决方案；若量子关联光子对源的输出波长覆盖常用通讯波段并可以进行连续的全波段调谐，就可以利用波分复用技术将不同波长的光子同时耦合进光纤进行传输，从而拓展信道容量。在量子中继应用中，通过光子与原子体系的相互作用来进行信息的存储和交换，这就需要光子的波长和带宽与原子谱线精确地匹配，因此要求量子关联光子对源具备较大波段覆盖范围和调谐能力。在精密测量应用中，量子关联光子对被用来对单光子探测器的量子效率进行绝对标定和对光纤的偏振模色散等进行精确测量，关联光子对的波长则决定了这些测量手段的适用波段。

量子关联光子对的频谱关联特性是指光子对中信号和闲频光子间所表现出的频率关联性，量子信息技术应用中往往要求量子关联光子对具有特定的频谱关联性。例如，在量子增强的定位技术和时钟校准技术中，要求量子关联光子对具有频率正相关的频谱特征；在可消除介质色散影响的量子相干层析等应用中，则要求量子关联光子对具有频率反相关的频谱特征；而在基于线性光学的量子计算等应用中，量子关联光子对被用作宣布式单光子参与量子干涉，为了提高干涉的可见度，则要求光子对间不存在任何频谱关联性。

目前，量子关联光子对源的有效制备途径之一是非线性介质中由脉冲光或连续光泵浦的自发光学参量过程。常用的自发光学参量过程包括χ⁽²⁾非线性介质（主要包括块状或具有波导结构的非线性晶体等）中的自发参量下转换以及χ⁽³⁾非线性介质（主要包括各类光纤等）中的自发四波混频。在自发参量下转换或自发四波混频过程中，来源于强泵浦光的一个或两个光子湮灭，同时产生一对量子关联光子对。通常将每对光子对中频率较泵浦光下移的光子称为信号光子、频率较泵浦光上移光子称为闲频光子。

自发光学参量过程所产生的量子关联光子对，其波长特性和频谱关联特性主要取决于非线性介质的特性（包括色散、长度等）和泵浦光的参数。量子关联光子对的联合频谱函数f(ω_s,ω_i)正比于产生一对频率分别为ω_s和ω_i的信号和闲频光子对的几率振幅，可反映光子对的波长特性和频谱关联特性。以光纤中由高斯脉冲光泵浦的自发四波混频过程为例，所产生关联光子对的联合频谱函数可表示为：

$f({\mathrm{\ω}}_s,{\mathrm{\ω}}_i)=\exp [-\frac{{({\mathrm{\ω}}_s+{\mathrm{\ω}}_i-2{\mathrm{\ω}}_p\mathrm{})}^2}{4{\mathrm{\σ}}_p^2}]\×\sin c\left(\frac{\mathrm{\Δk}\×L}{2}\right).$

联合频谱函数的指数函数部分为泵浦脉冲的包络函数，ω_p为泵浦光的中心频率，σ_p为泵浦光的带宽，信号、闲频光子和泵浦光的波长与频率的关系为λ_j＝2πc/ω_j（其中c代表光速，j＝s,i,p）。联合频谱函数的sinc函数部分为相位匹配函数，L为光纤长度，Δk＝2k_p-k_s-k_i-2γP_p为相位失配，其中kp、ks和ki分别代表泵浦、信号和闲频光子的传播常数，由介质的色散决定，γ代表介质的非线性系数，P_p代表泵浦光的峰值功率。从相位匹配函数可以看出，当信号、闲频光子以及相应的泵浦光满足相位匹配条件

Δk＝2k_p-k_s-k_i-2γP_p＝0

时，光子对的产生几率最大。

对于基于χ⁽²⁾非线性晶体中自发参量下转换过程的量子关联光子对源，利用经过特殊设计的周期极化晶体、借助于准相位匹配等技术，可实现具有百纳米宽度的波长可调谐关联光子对，也可实现具有不同频谱关联性的光子对，但这种基于非线性晶体的量子关联光子对源具有以下几个方面不足。第一，此类关联光子对源装置通常较复杂，且需要较高的泵浦功率，多数使用钛宝石激光器作为泵浦光源，所以具有体积大、分立元件多、使用和维护成本较高的特征；第二，非线性晶体中产生的光子对空间模式较为复杂，所以不易高效率地收集和同光纤耦合；第三，参量下转换过程的相位匹配条件与非线性晶体的温度有关，若要调谐关联光子对的输出波长等特性，需要对非线性晶体进行精确地温控，所以此类可调谐关联光子对源较易受环境影响。

对于基于普通色散位移光纤、单模光纤等常规光纤中自发四波混频过程的量子关联光子对源，其产生的光子对具有单一的空间模式且易于与光纤耦合，而且光纤中非线性作用长度长、损耗小、总的非线性高，因而对泵浦光的功率要求低。上述特征有利于实现关联光子对源装置的小型化和集成化。但是，常规光纤中自发四波混频过程的相位匹配条件通常仅在当泵浦波长位于光纤零色散点附近的反常色散区时才能满足，因而使得所产生关联光子对的波长局限在距离泵浦波长较近的波段范围内。这不仅限制了光子对的波长调谐范围，也使得光子对容易受到来自拉曼散射的噪声光子的影响，进而使得光源纯度降低。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种波长可调和频谱可控的、具有小型化、低成本和高纯度特征的量子关联光子对源。为此，本发明采用的技术方案是：使用950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲激光作为泵浦光；通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，由非线性介质中的自发四波混频过程产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对。

使用的950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲泵浦光，其实现途径是：使用基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器和放大器作为泵浦光源，通过将激光器或放大器的输出经过可调谐滤波器件进行滤波而得到；若激光器或放大器的输出带宽不足以覆盖上述波段，则将激光器或放大器的输出先通过一段光纤展宽为超连续谱后再施行滤波。

量子关联光子对的波长调谐具体通过以下两种不同的途径分别实现：（1）选择具有恒定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，以产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对，光子对中信号光子或闲频光子与泵浦光之间的频率失谐最大值超过40THz、且该频率失谐随泵浦光波长的改变，在数THz至失谐最大值之间连续变化，从而通过改变泵浦光波长实现对光子对波长的调谐；（2）使用具有不均匀纤芯直径的光子晶体光纤或微纳光纤，即光子晶体光纤或微纳光纤成品的纤芯直径从光纤的一段到另一端具有随长度增大或减小的变化，其变化幅度不超过初始参数值的10%，以使所产生的关联光子带宽大于相应的均匀光纤，从而在不改变泵浦光波长的情况下，通过可调谐滤波器对关联光子对进行滤波，实现对关联光子对波长的调谐。

产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对所需的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围如下，对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至8μm之间，包层空气比f取值则随纤芯直径d和对输出光子对波长的需求而变化：当纤芯直径d为0.7μm至1.2μm时，f取60%至100%，当纤芯直径d为1.2μm至1.6μm时，f取35%至80%，当纤芯直径d为1.6μm至4μm时，f取10%至60%，当纤芯直径d为4μm至8μm时，f取10%至100%；对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至1.2μm之间。

量子关联光子对的频谱控制具体通过以下途径实现：选择纤芯直径d在1.6μm至2.5μm间，包层空气比f在20%至50%间的光子晶体光纤，使其色散满足τ_sτ_i＜0的条件，其中

为传播常数在泵浦光中心频率

处的一阶导数，

为传播常数在信号光子中心频率

处的一阶导数，

为传播常数在闲频光子中心频率

处的一阶导数；在τ_sτ_i＜0的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽σ_p和光纤长度L满足

则使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足

则使关联光子对具有近似正相关的频谱，若满足则使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。

一种波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其结构为：基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器、放大器以及基于单模光纤的超连续谱产生装置，用于产生脉冲泵浦光；具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，用于产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对；滤波装置，用于将产生的量子关联光子对与剩余泵浦光有效分离并滤波输出。

用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围为：对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至8μm之间，包层空气比f取值则随d和对输出光子对波长的需求而变化：当d为0.7μm至1.2μm时，f取60%至100%，当d为1.2μm至1.6μm时，f取35%至80%，当d为1.6μm至4μm时，f取10%至60%，当d为4μm至8μm时，f取10%至100%；对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至1.2μm之间。

用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数是均匀的，或者微结构参数存在随光纤长度而变化的线性或随机的起伏，参数起伏幅度不超过参数值的10%。

用于产生频谱可控量子关联光子对的光子晶体光纤，其纤芯选择直径在1.6μm至2.5μm间，包层空气比f在20%至50%间，以使其色散满足τ_sτ_i＜0的条件，其中

为传播常数在泵浦光中心频率ω_p与信号信号光子中心频率ω_s(i)处的一阶导数之差；在τ_sτ_i＜0的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽σ_p和光纤长度L满足

使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足使关联光子对具有近似正相关的频谱，若满足

使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。

滤波装置由光纤波分复用滤波器或可调谐光纤滤波器光纤器件构成，或采用包括色散棱镜、光栅、带通滤光片的自由空间器件。

本发明的技术特点及效果：

一、通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，实现对量子关联光子对的波长调谐和频谱控制，使得本量子关联光子源不受温度等环境因素影响。

二、光子晶体光纤或微纳光纤中产生的关联光子对具有纯净的空间模式，收集效率高、易于耦合进光纤传输。

三、本量子关联光子对源所产生的具有大频率失谐特征的关联光子对受到的拉曼散射噪声光子的影响较小、甚至可忽略不计，因此关联光子对的纯度较高。

四、本量子关联光子对源使用基于普通光纤或光子晶体光纤的锁模脉冲激光器和放大器作为泵浦光源，因而体积小、成本低。光纤和光纤器件的使用有助于提高光源的光纤化程度。

附图说明

图1基于光子晶体光纤或微纳光纤的量子关联光子对源装置图

图2对于纤芯直径为5.5微米、包层空气比为31.5%的光子晶体光纤，利用阶跃光纤分析方法计算得到的自发四波混频相位匹配波长

图3对于纤芯直径为1.89微米、包层空气比为29.6%的光子晶体光纤，利用阶跃光纤分析方法计算得到的自发四波混频相位匹配波长

图4对于纤芯直径为1.89微米、包层空气比为29.6%、长度为0.3m的光子晶体光纤，当泵浦中心波长为1015nm时，利用阶跃光纤分析方法计算得到的不同泵浦带宽所对应的量子关联光子对频谱|f(ω_s,ω_i)|²。左中右三幅等高线图分别对应泵浦带宽为2.5nm、4.7nm和9nm的结果。

图5对于直径为0.9微米、以空气作为包层的微纳光纤，利用阶跃光纤分析方法计算得到的自发四波混频相位匹配波长。

图6基于光子晶体光纤的通讯波段可调谐宣布式单光子源装置图。

具体实施方式

为了提供一种波长可调和频谱可控的、具有小型化和低成本特征的量子关联光子对源。其实现的基本途径是使用光子晶体光纤或微纳光纤等具有微纳结构的光纤作为非线性介质，通过脉冲泵浦光泵浦的自发四波混频过程产生量子关联光子对。利用光子晶体光纤或微纳光纤的色散可控特性以实现多种特殊的相位匹配条件，并结合适当的泵浦光中心波长和带宽，实现输出关联光子对的波长可调和频谱可控；同时，通过采用光纤、光纤激光器和光纤器件以减小光源的体积、降低光源的成本。

本发明的实现方案如下：

本方案使用具有微纳结构特征的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质。其中光子晶体光纤由实心的纤芯和具有周期性空气孔结构的包层构成，其主要微结构参数包括纤芯直径和包层空气比；而微纳光纤本身仅包括实心的纤芯，以空气或液体作为包层，其主要微结构参数为纤芯直径。通过改变光子晶体光纤或微纳光纤的微结构参数，可控制其色散特性。可采用阶跃光纤分析法或有限元法等数值方法计算光子晶体光纤或微纳光纤的色散特性，并进一步计算出所产生量子关联光子对的联合频谱函数，以选择合适的微结构参数。

关联光子对的波长调谐通过以下两个途径实现：（1）基于所使用的泵浦光波段，通过适当选择光子晶体光纤或微纳光纤的微结构参数，使产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对所需的相位匹配条件得到满足。在大频率失谐条件下，光子对中的信号（闲频）光子与泵浦光之间的频率失谐可超过40THz、最大值可达100THz以上，且该频率失谐可随泵浦光波长的改变，在数THz至失谐最大值之间连续变化，从而可通过改变泵浦光波长实现对光子对波长的调谐。同时，具有大频率失谐特征的关联光子对可以避开拉曼散射区（距离泵浦光失谐约40THz的范围内，峰值在约13THz处），从而减少拉曼噪声光子对于关联光子对纯度的影响。（2）通过在光子晶体光纤或微纳光纤的微结构参数引入规则或不规则的起伏，使其色散特性也随之相应地变化。引入了微结构参数起伏的光纤各部分所产生的关联光子对波长也有所不同。由于最后光纤输出的光子对是光纤各部分相干叠加的结果，因此引入微结构参数起伏的光纤具有比均匀光纤更宽的频谱带宽，在泵浦光波长和带宽一定的条件下，可以通过可调谐滤波器对关联光子对进行滤波，实现对其波长的调谐。

光纤参数的起伏是指光纤制成品的结构参数具有线性或随机的变化。纤芯直径的线性变化，例如：纤芯直径由一端的1微米随长度线性减小，变化到另一端的0.9微米，变化幅度为10%；纤芯直径的随机变化，例如：光纤一端开始为1微米，下一段可能是0.98微米，下一段可能是1.01微米，再下一段可能是1.05微米等等，每段长度不定，可能几厘米或几毫米，但所有的直径变化幅度不超过初始值的10%。

空气比的线性变化，空气比是指空气孔在包层中所占比重，其线性变化跟纤芯一个道理，如从一端的30%随长度线性增大到另一端的30.3%；空气比的随机变化与纤芯的随机变化相类似，不再赘述。

关联光子对的频谱控制通过以下途径实现：通过适当选择光子晶体光纤或微纳光纤的微结构参数，使光纤色散、脉冲光的带宽和光纤长度满足具有特定频谱特性的关联光子对的产生条件。如在τ_sτ_i＜0的条件下（其中

为传播常数在泵浦光中心频率ω_p与信号（闲频）光子中心频率ω_s(i)处的一阶导数之差），相位匹配函数具有正相关的频谱特征。此时若满足

输出光子对具有近似不相关的频谱；若满足

输出光子对具有近似正相关的频谱；若满足

输出光子对具有近似反相关的频谱。

本方案中使用的泵浦光为中心波长和带宽均可调谐的脉冲光，其实现途径是：使用基于普通光纤或光子晶体光纤的锁模脉冲激光器作为泵浦光源，通过将激光器的输出经过可调谐滤波器件（如光栅、光纤可调谐滤波器）进行滤波而得到；如需进一步增大泵浦光的波长调谐范围，可将激光器的输出先通过一段光纤展宽为超连续谱后再施行滤波。

本方案使用适当的滤波装置以分离产生的量子关联光子对与剩余泵浦光，并对信号光子和闲频光子分别进行有效地提取。上述滤波装置由光纤波分复用滤波器、可调谐光纤滤波器等光纤器件构成，同时也可适当采用色散棱镜、光栅、带通滤光片等自由空间器件。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

实施例1:基于光子晶体光纤或微纳光纤的量子关联光子对源装置

本实施例的装置图如图1所示，各部分详述如下：

泵浦光制备部分：光纤锁模脉冲激光器输出的脉冲光经由透镜耦合入一段单模光纤，在单模光纤中展宽为超连续谱后，再经由透镜耦合入自由空间。展宽的超连续谱经过透射光栅滤波获得泵浦光，然后泵浦光经由透镜耦合入光子晶体光纤或微纳光纤中。通过改变光栅的角度和距离，可以调谐泵浦光波长和带宽。

光子对产生部分：泵浦光在光子晶体光纤或微纳光纤中通过自发四波混频过程产生量子关联光子对。在光纤的输出端，剩余泵浦光和所产生的量子关联光子对经由透镜耦合入自由空间。

光子对滤波和输出部分：剩余泵浦光和量子关联光子对可通过一组滤波片进行分离。长波通滤光片1的截止波长介于泵浦光和闲频光子之间，其作用为反射闲频光子，透射泵浦光和信号光子。长波通滤光片2的截止波长介于信号光子和泵浦光之间，其作用为反射泵浦光，透射信号光子。分离后的信号和闲频光子分别通过带通滤波器，以提高对泵浦光的隔离度，上述带通滤波器可以是滤波片或多通道的光纤波分复用器件等，其中心波长和带宽可以根据实际需要确定。最后信号和闲频光子分别收集入单模光纤进行输出。

另外，除了上述的滤波片，剩余泵浦光和量子关联光子对也可利用色散棱镜进行分离，然后再分别进行滤波和收集，如图1所示。

实施例2：通过控制光子晶体光纤及泵浦光参数制备信号光子波长覆盖通讯波段的波长可调谐量子关联光子对

本实施例中采用纤芯直径为5.5微米、包层空气比为31.5%的光子晶体光纤，通过阶跃光纤分析方法对其色散特性进行计算，得到不同的泵浦波长下，满足自发四波混频相位匹配条件的信号光子和闲频光子波长，如图2所示。

从图2可以看出，当泵浦光波长在1030nm至1055nm范围内变化时，可实现对信号光子和闲频光子波长的大范围调谐。其中，信号光子的波长调谐范围为1263nm至1601nm，基本覆盖了常用通讯波段:O、E、S、C以及L波段；而闲频光子波长的调谐范围为759nm至906nm。相应的信号（闲频）光子与泵浦光的频率失谐范围约为47THz至104THz，该失谐范围大于拉曼散射的频段，因此在整个可调波段均可有效地抑制拉曼噪声光子对于关联光子对纯度的影响。

实施例3：通过控制光子晶体光纤及泵浦光参数制备频谱可控量子关联光子对

本实施例中采用纤芯直径为1.89微米、包层空气比为29.6%的光子晶体光纤，通过阶跃光纤分析方法对其色散特性进行计算，得到不同的泵浦波长下，满足自发四波混频相位匹配条件的信号光子波长和闲频光子波长，如图3所示。从图3可以看出，当泵浦光波长在960nm至1055nm范围内变化时，信号光子波长最大为1412nm、最小为1162nm，而闲频光子波长最小为798nm、最大为905nm。

对于此光子晶体光纤，在一定的泵浦光中心波长下，可通过改变光纤长度和泵浦光带宽控制关联光子对的频谱特征。图4是在固定泵浦中心波长为1015nm、光子晶体光纤长度为0.3米的条件下，计算得到的不同泵浦带宽时的量子关联光子对频谱|f(ω_s,ω_i)|²，左中右三幅等高线图是分别对应泵浦带宽为2.5nm、4.7nm和9nm时的计算结果，相应的量子关联光子对分别具有频率近似反相关、不相关和正相关的频谱特征。

实施例4：通过控制微纳光纤及泵浦光参数制备信号光子波长覆盖通讯波段的波长可调谐量子关联光子对

本实施例中采用直径为0.9微米、以空气作为包层的微纳光纤，通过阶跃光纤分析方法对其色散特性进行计算，得到不同的泵浦波长下，满足自发四波混频相位匹配的信号光子波长和闲频光子波长，计算结果如图5所示。

从图5中可以得出，当泵浦光波长在980nm至1100nm范围内变化时，信号光子波长调谐范围为1267nm至1610nm，基本覆盖了常用通讯波段，而闲频光子波长调谐范围为704nm至972nm。相应的信号（闲频）光子与泵浦光的频率失谐范围约为36THz至120THz。

本实施例中需要的泵浦光调谐范围约为120nm，可以通过将光纤锁模激光器的输出通过一段单模光纤，然后将展宽后的超连续谱再施行滤波而获得。

实施例5:应用举例——基于光子晶体光纤的通讯波段可调谐宣布式单光子源

本应用举例采用实施例2中纤芯直径为5.5微米、包层空气比为31.5%的光子晶体光纤作为非线性介质产生量子关联光子对。利用关联光子对中的闲频光子的探测信号来宣布相应的信号光子的存在，从而将信号光子投影到单光子态上，构成覆盖通讯波段的可调谐宣布式单光子源。

本应用举例的具体装置如图6所示，以实施例1中所述的装置为基础。本例中的泵浦光源采用掺镱光纤锁模脉冲激光器，其输出的自由空间脉冲光中心波长约为1042nm、半最大全宽约为40nm。由于该激光器输出频谱的波长范围不经展宽即可满足信号光子覆盖通讯波段的调谐要求，因此直接将其输出经过透射光栅滤波获得泵浦光，然后利用透镜将泵浦光耦合入光子晶体光纤中。光子对滤波部分的长波通滤波片1的截止波长为950nm，长波通滤波片2的截止波长为1200nm；而带通滤波器的波长和带宽可根据调谐波长需要更换。

光子对中的闲频光子收集后直接输入基于Si雪崩二极管的单光子探测器1；而信号光子收集后首先输入50/50分束器，分束器的两个输出端再分别输入基于InGaAs/InP雪崩二极管的单光子探测器2和单光子探测器3。探测器1的闲频光子探测信号作为宣布信号（触发信号）以触发探测器2和探测器3。最后，三台单光子探测器的探测信号输入光子计数系统中进行处理。

利用上述装置可以测量反映单光子源光子统计特性的二阶相关函数g⁽²⁾，即：

$g^{\left(2\right)}=\frac{N_{23}}{N_2{N}_3}$

其中，N₂₃是探测器2和探测器3的真符合计数率（真符合计数率为符合计数率与随机符合计数率之差），N₂和N₃分别是探测器2和探测器3的计数率。测得的g⁽²⁾越小，说明越接近理想的单光子源。

Claims (10)

1.一种波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，使用950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲激光作为泵浦光；通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，由非线性介质中的自发四波混频过程产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对。

2.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，使用的950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲泵浦光，其实现途径是：使用基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器和放大器作为泵浦光源，通过将激光器或放大器的输出经过可调谐滤波器件进行滤波而得到；若激光器或放大器的输出带宽不足以覆盖上述波段，则将激光器或放大器的输出先通过一段光纤展宽为超连续谱后再施行滤波。

3.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，量子关联光子对的波长调谐具体通过以下两种不同的途径分别实现：（1）选择具有恒定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，以产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对，光子对中信号光子或闲频光子与泵浦光之间的频率失谐最大值超过40THz、且该频率失谐随泵浦光波长的改变，在数THz至失谐最大值之间连续变化，从而通过改变泵浦光波长实现对光子对波长的调谐；（2）使用具有不均匀纤芯直径的光子晶体光纤或微纳光纤，即光子晶体光纤或微纳光纤成品的纤芯直径从光纤的一段到另一端具有随长度增大或减小的变化，其变化幅度不超过初始参数值的10%，以使所产生的关联光子带宽大于相应的均匀光纤，从而在不改变泵浦光波长的情况下，通过可调谐滤波器对关联光子对进行滤波，实现对关联光子对波长的调谐。

4.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对所需的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围如下，对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至8μm之间，包层空气比f取值则随纤芯直径d和对输出光子对波长的需求而变化：当纤芯直径d为0.7μm至1.2μm时，f取60%至100%，当纤芯直径d为1.2μm至1.6μm时，f取35%至80%，当纤芯直径d为1.6μm至4μm时，f取10%至60%，当纤芯直径d为4μm至8μm时，f取10%至100%；对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至1.2μm之间。

5.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，量子关联光子对的频谱控制具体通过以下途径实现：选择纤芯直径d在1.6μm至2.5μm间，包层空气比f在20%至50%间的光子晶体光纤，使其色散满足τ_sτ_i<0的条件，其中

为传播常数在泵浦光中心频率

处的一阶导数，为传播常数在信号光子中心频率

处的一阶导数，

为传播常数在闲频光子中心频率

处的一阶导数；在τ_sτ_i<0的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽σ_p和光纤长度L满足

则使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足

则使关联光子对具有近似正相关的频谱，若满足

则使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。

6.一种波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其结构为：基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器、放大器以及基于单模光纤的超连续谱产生装置，用于产生脉冲泵浦光；具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，用于产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对；滤波装置，用于将产生的量子关联光子对与剩余泵浦光有效分离并滤波输出。

7.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围为：对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至8μm之间，包层空气比f取值则随d和对输出光子对波长的需求而变化：当d为0.7μm至1.2μm时，f取60%至100%，当d为1.2μm至1.6μm时，f取35%至80%，当d为1.6μm至4μm时，f取10%至60%，当d为4μm至8μm时，f取10%至100%；对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μm至1.2μm之间。

8.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数是均匀的，或者微结构参数存在随光纤长度而变化的线性或随机的起伏，参数起伏幅度不超过参数值的10%。

9.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生频谱可控量子关联光子对的光子晶体光纤，其纤芯选择直径在1.6μm至2.5μm间，包层空气比f在20%至50%间，以使其色散满足τ_sτ_i<0的条件，其中

为传播常数在泵浦光中心频率ω_p与信号信号光子中心频率ω_s(i)处的一阶导数之差；在τ_sτ_i<0的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽σ_p和光纤长度L满足

使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足

使关联光子对具有近似正相关的频谱，若满足

使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。

10.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，滤波装置由光纤波分复用滤波器或可调谐光纤滤波器光纤器件构成，或采用包括色散棱镜、光栅、带通滤光片的自由空间器件。

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