CN104965373A

CN104965373A - 一种新型非简并窄带纠缠源

Info

Publication number: CN104965373A
Application number: CN201510431726.5A
Authority: CN
Inventors: 王健; 黄运锋; 李传锋; 郭光灿
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2035-07-20
Also published as: CN104965373B

Abstract

本发明公开了一种新型非简并窄带纠缠源，包括由相对设置的M1腔镜和M2腔镜构成的第一镜腔，M1腔镜与M2腔镜之间设有非线性晶体，非线性晶体与M2腔镜之间设有变形反射镜或光栅或是棱镜，第一镜腔的一侧对应变形反射镜的部位设有M3腔镜，M1腔镜、非线性晶体、变形反射镜或光栅或是棱镜与M3腔镜之间构成第二镜腔，第一镜腔和第二镜腔构成组合镜腔。M1腔镜与M2腔镜之间可以设有两块非线性晶体，M2腔镜的外侧设有楔形片。组合镜腔的一端设有斩波器，组合镜腔的入射光和出射光分别经过所述斩波器。避免了一个腔体中的双共振，这样降低了需要控制温度的精度，增加了对外在环境的干扰，可以简单的实现非简并窄带纠缠源制备。

Description

一种新型非简并窄带纠缠源

技术领域

本发明涉及一种量子存储、量子通信以及量子网络的构建等技术，尤其涉及一种新型非简并窄带纠缠源。

背景技术

根据非线性光学原理，当不满足相位匹配条件时，参量光在晶体内部产生的强度随着晶体长度成正弦曲线变化。如果周期性的改变非线性晶体的非线性系数的符号，那么在整个晶体内部，参量过程都是保持增长的，这也就是准相位匹配技术。利用周期性晶体的准相片匹配技术可以产生非简并光子对和非简并纠缠光。在产生非简并光子的实验中，晶体的光轴与光路共线,且晶体的长度长，非线性系数高，会得到很高亮度的光。当本申请能改变晶体的极化周期和温度时，可以完成在晶体工作范围内的任意波长的非简并过程。而对于非简并纠缠光而言，利用了两块二型的非线性晶体，使其光轴互相垂直，一块晶体使水平偏振的光子下转换变为两个偏振分别是水平偏振(H)和垂直偏振(V)的光子，另一块晶体使垂直偏振的光子下转换变为两个偏振分别是垂直偏振和水平偏振的光子,泵浦光45°入射情况下，便得到了纠缠光。

光线在两个镀高反膜的平面镜之间来回反射的腔叫做光学腔。光学腔的一个特点是只有满足的光才能在腔内稳定共振，另一个特点是光学腔输出的模式好，一般为高斯光斑。光学腔可以起到改变真空场的作用。利用光学腔的场增强效应，把自发参量下转换(SPDC)的过程放入谐振腔中，实现产生光子对的谱宽压缩和亮度增强。

Pound-Drever-Hall(PDH)(三个人一起发明的,所以是三个人名,没有具体的中文翻译)锁腔是利用类似PDH稳频的方法,来实现把光学腔锁在参量激光上。具体的PDH方法是通过射频信号对激光频率进行调制，把得到反射信号与该调制信号做混频，解调出误差信号。该误差信号输入到伺服系统，经过伺服系统的信号处理,输出的反馈信号接到激光器的电流或是压电陶瓷(pzt)来改变激光频率，从而实现激光频率的稳定。

etalon(标准具)是利用多光束干涉原理形成的FP腔，只有与腔模匹配的参量光才能通过。由于etalon是实心的，所以可以通过改变温度来改变腔长，实现透过腔模的改变。

现有技术中，在制备腔内窄带纠缠源时，由于H光与V光的自由光谱区不相同，不能实现同时共振，也就是H光与V光不能同时存在，无法完成纠缠源的制备，所以要补偿后实现双共振。利用双折射晶体两个偏振方向上的折射率随温度变化不同，调节温度可以实现两个偏振的光子在腔里面同时共振。

在一个腔内的非简并偏振纠缠要求实现两种频率两种模式的四共振，然而上述现有技术中实现三共振就已经比较困难，四共振更是无法完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度高、性能稳定的新型非简并窄带纠缠源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的新型非简并窄带纠缠源，包括由相对设置的M1腔镜和M2腔镜构成的第一镜腔，所述M1腔镜与M2腔镜之间设有非线性晶体，所述非线性晶体与M2腔镜之间设有变形反射镜或光栅或是棱镜，所述第一镜腔的一侧对应所述变形反射镜的部位设有M3腔镜，所述M1腔镜、非线性晶体、变形反射镜或光栅或是棱镜与M3腔镜之间构成第二镜腔，所述第一镜腔和第二镜腔构成组合镜腔。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的新型非简并窄带纠缠源，由于包括由M1腔镜、M2腔镜、M3腔镜、非线性晶体、变形反射镜或光栅或是棱镜等构成第一镜腔和第二镜腔的组合镜腔，避免了一个腔体中的双共振，这样降低了需要控制温度的精度，增加了对外在环境的干扰，可以简单的实现非简并窄带纠缠源制备。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的新型非简并窄带纠缠源的结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的新型非简并窄带纠缠源的结构示意图。

图中：

1：chopper；2：DM；3：反射镜；4：偏振分光棱镜(PBS)；5：法拉第旋光器；6：半波片；7：PPKTP晶体；8：M1腔镜；9：M2腔镜；10：M3腔镜；11：楔形片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的新型非简并窄带纠缠源，其较佳的具体实施方式是：

包括由相对设置的M1腔镜和M2腔镜构成的第一镜腔，所述M1腔镜与M2腔镜之间设有非线性晶体，所述非线性晶体与M2腔镜之间设有变形反射镜或光栅或是棱镜，所述第一镜腔的一侧对应所述变形反射镜的部位设有M3腔镜，所述M1腔镜、非线性晶体、变形反射镜或光栅或是棱镜与M3腔镜之间构成第二镜腔，所述第一镜腔和第二镜腔构成组合镜腔。

所述M1腔镜与M2腔镜之间设有两块非线性晶体，所述M2腔镜的外侧设有楔形片。

所述两块非线性晶体的光轴相互垂直。

所述变形反射镜与所述第一镜腔的光轴之间的倾角为0°至20°。

所述组合镜腔的一端设有斩波器，所述组合镜腔的入射光和出射光分别经过所述斩波器。

本发明的新型非简并窄带纠缠源，在组合腔中放置一块非线性晶体实现非简并窄带光子对的制备；在组合腔中放置两块光轴互相垂直的非线性晶体来实现两种频率、两种模式的2*2的双共振，从而实现非简并窄带偏振纠缠源的制备。

本发明的原理是：

组合腔如图所示，其中本申请的组合腔中的变形反射镜(DM)为0°到20°角放置，这是为了使DM对不论偏振方向如何的λ₁与λ₂的光都有相同的高的透过率和反射率。DM对于大约λ₁的光有是十分高的透过率，而对于大约λ₁的光有十分高的反射率，从而可以将两种不同波长的光分到不同的谐振腔中。透过DM的光在M1与M2这两个腔镜之间形成共振，而M1腔镜到达DM的反射光与M3腔镜形成了另一共振，这样本申请就利用DM形成组合腔的结构。其中M1腔镜镀的高反膜对于两种光的反射率至少要大于99％多，而且尽量要高，M2与M3则根据实验中的具体的线宽来计算，但后腔镜一般是低于前腔镜的，并且粘着PZT的M2与M3腔镜起着耦合输出的作用。

与现有技术中的非简并纠缠源相比，本申请的新型非简并偏振纠缠源是十分稳定的。当窄带宽纠缠光与其他的物理系统连接时，两端同时需要良好的中心匹配频率和带宽，在某种程度上，之前的工作是有局限性的。本申请的新型纠缠源中的组合腔提供了解决的办法，当两个腔分别独立的锁在两个物理系统的共振吸收线上时，可以实现中心频率的完美匹配。带宽的匹配是通过改变反光镜的反射率来实现的。

本申请也可以放置两个PPKTP晶体如2所示，使它们的光轴保持垂直。然后在一个腔内放置一个楔形片调节光路的相位，另一个腔则通过温度调节，来补偿双共振以实现非简并偏振纠缠源的产生。

通常情况下，参量光与锁腔光会沿着同方向前进，本申请使用斩波器(chopper)间断性的阻挡实现分时复用，防止单光子探测器被破坏。在非简并情况下，使用两个机械斩波器常常需要阻止两个不同的锁腔光和达成两个斩波器之间的临界的相位锁定，这是由于在空腔中存在着不可避免的差频产生(DFG)过程。在本申请的试验中，两种不同参量光与锁腔光分别混合在一起，只用一个斩波器来实现分时复用，然后再用DM将其分开。

本发明优点和积极效果：

在制备非简并纠缠光子对时，组合腔的设计，避免了一个腔体中的双共振，这样降低了需要控制温度的精度，增加了对外在环境的干扰。

在一个腔内的非简并偏振纠缠要求实现两种频率两种模式的四共振，然而现有技术中实现三共振就已经比较困难，四共振更是无法完成。本申请的组合腔的设计可以简单的实现非简并窄带纠缠源制备。

不可避免的DFG过程，多两个chopper的方法要求很高，需要做到多个chopper实现完全同步，这会造成技术上的困难。但是，本申请使用一个chopper，不同的锁腔光与参量光同时混合通过chopper，分时复用，可以完全保证单光子探测器不被破坏。从而保证了整个纠缠源的稳定性。

图1中两路光合在一起经过chopper，实现分时复用。然后到达本申请的组合腔中。组合腔是由三个腔镜与一个DM组成。DM大约0°到20°角放置在M1与M2之间，透射一种波长的光，反射另一种的光，从而形成组合腔镜。本申请在腔中放置了一个非线性晶体，之后两路光再次混合一起通过chopper，分光后分别射出。

图2与图1其它结构相似，不同点是本申请在腔内放置了两块晶体，且它们的光轴相互垂直。本申请还在腔M1-M2中放置了一个楔形片来补偿相位的办法，另一路M1-M3用调节温度的办法，起到补偿双共振的作用。

具体实施例：

一、非简并光子对：

具体实施方案一：

将周期极化晶体，例如KT_iOPO₄(PPKTP)作为SPDC过程中的非线性晶体放置在腔中。腔镜镀上了高反膜，其中M1，M2与M3腔镜对于两种光的反射率大于99％，并且前腔镜的反射率是要高于后腔镜的，而且两个粘着PZTM2与M3腔镜上作为耦合输出。在M1与M2腔中放置了一个大约0°到20°角的DM，对于波长为λ₁的光有大于99％的透过率，而对于λ₂的光有大于99％的反射率，将混合光分为了两路。

先将两种不同的锁腔光与参量光混合为一路，然后同时经过chopper实现分时复用，再然后打入腔中，产生高亮度非简并光子对，之后再次通过chopper，最后用DM将两种波长的光分为两路输出。

具体实施方案二：

结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的区别在于，本申请仅仅替换DM为其他按照波长来分光的器件。此种情况下，腔的其他结构并未发生任何改变。

比如使用光栅或是棱镜等来代替DM，只需改变M2腔镜与M3腔镜的位置，使得过M1腔镜后的光经过光栅后，散射为两束光，保证两束光分别正入射到M2与M3腔镜上，形成类似图2的结构。

二、非简并偏振纠缠源：

具体实施方案一：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与非简并光子对的实施方式一所述的区别在于，本申请在腔中放置两块晶体，并且使两块晶体的光轴垂直，M1与M2腔中本申请使用楔形片调节相位来补偿双共振，而在M1与M3组成的腔内是通过温度调节来补偿双共振的。腔的其他结构并未发生任何改变。此种情况下，本申请可以得到高亮度非简并偏振纠缠光。

具体实施方案二：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与非简并偏振纠缠源的实施方式一所述的区别在于，本申请替换补偿双共振的办法，比如两个腔都是用温度调节；两个腔中均放入晶体，调节晶体温度；一个调节晶体温度，另一个控制腔的温度或是都是用楔形片调节位相以达到补偿双共振的目的，腔的其他结构并未发生任何改变。

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

1.一种新型非简并窄带纠缠源，其特征在于，包括由相对设置的M1腔镜和M2腔镜构成的第一镜腔，所述M1腔镜与M2腔镜之间设有非线性晶体，所述非线性晶体与M2腔镜之间设有变形反射镜或光栅或是棱镜，所述第一镜腔的一侧对应所述变形反射镜的部位设有M3腔镜，所述M1腔镜、非线性晶体、变形反射镜或光栅或是棱镜与M3腔镜之间构成第二镜腔，所述第一镜腔和第二镜腔构成组合镜腔。

2.根据权利要求1所述的新型非简并窄带纠缠源，其特征在于，所述M1腔镜与M2腔镜之间设有两块非线性晶体，所述M2腔镜的外侧设有楔形片。

3.根据权利要求2所述的新型非简并窄带纠缠源，其特征在于，所述两块非线性晶体的光轴相互垂直。

4.根据权利要求1所述的新型非简并窄带纠缠源，其特征在于，所述变形反射镜与所述第一镜腔的光轴之间的倾角为0°至20°。

5.根据权利要求1至4任一项所述的新型非简并窄带纠缠源，其特征在于，所述组合镜腔的一端设有斩波器，所述组合镜腔的入射光和出射光分别经过所述斩波器。