CN105428967A - 一种纠缠源的高精度温度锁定装置及其锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纠缠源的高精度温度锁定装置及其锁定方法。本发明主要是解决现有纠缠源温度控制仪存在着控制精度低、反应速率慢和不能长时间稳定输出的技术问题。本发明的技术方案是：一种纠缠源的高精度温度锁定装置，包括主光路、PDH稳频模块和控温模块，其中：它还包括误差信号产生单元、温度反馈回路模块和声光调制器，所述误差信号产生单元与温度反馈回路模块连接；所述温度反馈回路模块与声光调制器连接。锁定方法包括如下步骤：(1)对光学参量放大器腔内非线性晶体进行初步控温；(2)误差信号产生单元将光学参量放大器腔的反射光转换成控温误差信号；(3)误差信号进入温度反馈回路模块输出控制电压信号对腔内非线性晶体温度进行调节和锁定。

Description

一种纠缠源的高精度温度锁定装置及其锁定方法

技术领域

本发明涉及一种纠缠源的高精度温度锁定装置及其锁定方法，它属于量子信息和激光技术领域。

背景技术

纠缠态作为量子信息科学中重要的资源，被广泛应用到量子离物传态、量子计算和量子密钥分发等领域。长时间稳定纠缠源的产生是量子信息学科技术实用化的必要前提。

目前实验室中纠缠态的产生技术已经很成熟，各种类型的纠缠源陆续被产生，但是却鲜有商用纠缠源的相关报道，这是由于周边环境，尤其是温度的影响使得纠缠态不能长时间稳定输出，阻止了其实用化，商业化。因此需要一个不依赖于环境变化，更高精度的温度锁定装置，来保证纠缠源的长期稳定输出。对于二类光学参量放大器，只有在某个特定的温度点下，两个偏振才能同时精确共振。而由于系统的运行状态及周边环境的变化，温度点偏离最佳温度点，使得两偏振光不再精确共振，纠缠态不能长时间稳定输出，纠缠度降低。实验上一般采用温度控制仪来进行控温，但是温度控制仪只能设定一个温度点，不能实时根据腔内情况，跟随最佳温度点，需要实时的去改变设定温度点，且温度点的调节需要手动调节，反应速率慢，并且目前市面上的温度控制仪的精度较低，只有0.01℃到0.001℃，不具备易操作性，高精度以及稳定性，制约了量子纠缠源从实验室向商用产品的转化。

发明内容

本发明的目的是解决现有纠缠源温度控制仪存在着控制精度低、反应速率慢和不能长时间稳定输出的技术问题，提供一种长时间稳定、反应速率块和控制精度高的纠缠源的高精度温度锁定装置及其锁定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种纠缠源的高精度温度锁定装置，包括含二类光学参量放大器1的主光路、PDH稳频模块2和控温模块3，其中：它还包括误差信号产生单元4、温度反馈回路模块5和声光调制器6，所述误差信号产生单元4与温度反馈回路模块5连接，将二类光学参量放大器1因周边环境温度变化引起腔长变化的误差信号提取出传输给温度反馈回路模块5；所述温度反馈回路模块5与声光调制器6连接，温度反馈回路模块5将误差信号转变为输出控制电压信号加载到声光调制器6上，用来对绿光进行移频操作及光强调制。

所述误差信号产生单元4包括λ/4波片42、偏振分束棱镜43、两个直流探测器44、45和直流加减法器46，λ/4波片42设在偏振分束棱镜43的前面，且旋转45°，两个直流探测器44、45设在偏振分束棱镜43的两个输出端口，第一个直流探测器44的信号输出端与直流加减法器46负极连接，第二个直流探测器45的信号输出端与直流加减法器46正极连接。

所述温度反馈回路模块5包括PID控制单元51和压控振荡器52，PID控制单元51的信号输出端与压控振荡器52的信号输入端连接，压控振荡器52的信号输出端与声光调制器6的信号输入端连接。

一种使用上述的纠缠源的高精度温度锁定装置的锁定方法，其包括如下步骤：

(1)通过控温模块3对光学参量放大器1腔内非线性晶体13进行初步控温，使得两下转换光接近共振，接近重合时，采用PDH稳频模块2实现单个偏振光的共振；

(2)当周边环境温度变化引起光学参量放大器1腔长变化，导致两偏振光失谐，产生相位差，主光路中的分束器14将光学参量放大器1腔的反射光导入误差信号产生单元4的λ/4波片42，波片旋转45度，再经过偏振分束棱镜43分成两束光进入两个直流探测器44、45，然后两个直流探测器44、45再将转换成的电信号导入直流加减法器46做加减法运算，获得控温误差信号；

(3)误差信号进入温度反馈回路模块5的PID控制单元51和压控振荡器52中，输出控制电压信号进入声光调制器6，对绿光进行移频操作及光强调制，取绿光一级衍射注入主光路光学参量放大器1的腔内，对腔内非线性晶体13温度进行调节和锁定，使得腔内信号光与闲置光共振，且长时间稳定输出。

由于本发明采用了上述技术方案，解决现有纠缠源温度控制仪存在着控制精度低、反应速率慢和不能长时间稳定输出的技术问题。因此，与背景技术相比，本发明具以下优点：

1.本发明基于光热效应，反映速率更快，稳定时间长，精度更高，本发明可达0.0005℃，远高于普通控温仪的0.01℃。

2.为长时间稳定纠缠源的商业化奠定了基础。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置误差信号产生单元的结构示意图；

图3是本发明装置温度反馈回路模块的结构示意图；

图4是本发明纠缠源的高精度温度锁定误差信号图；

图5是本发明纠缠源的高精度温度锁定结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种纠缠源的高精度温度锁定装置，包括含二类光学参量放大器1的主光路、PDH稳频模块2和控温模块3，其中：它还包括误差信号产生单元4、温度反馈回路模块5和声光调制器6，所述误差信号产生单元4与温度反馈回路模块5连接，将二类光学参量放大器1因周边环境温度变化引起腔长变化的误差信号提取出传输给温度反馈回路模块5；所述温度反馈回路模块5与声光调制器6连接，温度反馈回路模块5将误差信号转变为输出控制电压信号加载到声光调制器6上，用来对绿光进行移频操作及光强调制。

上述含二类光学参量放大器1的主光路由输入平凹镜(HR540nm&1080nm)11、输出平凹镜(T＝6％1080nm，AR540nm)12、非线性晶体13、50/50分束器14、半波片15、红外光高反镜16、绿光高反镜17、18构成，其中，光学参量放大器OPA1由输入平凹镜11和输出平凹镜12构成，两平凹腔镜的曲率半径均为R＝30mm，腔中心放置非线性晶体13，晶体为二类KTP；PDH稳频模块2由探测器21、射频源22、红外光相位调制器23、混频器24、放大器25和压电陶瓷PZT26构成；控温模块3由温度控制仪31、温度控制信号线32和晶体炉温度信号线33构成，温度控制仪31通过温度控制信号线32和晶体炉温度信号线33与非线性晶体13连接，对非线性晶体13进行初步控温。

本实施例采用的激光器(LASER)输入波长1080nm红外光与540nm绿光，其中红外光经相位调制器23，再经过半波片15，进入二类光学参量放大器OPA1，作为注入场，其中半波片15旋转45°，用于调节注入场偏振，使得注入光既有垂直偏振又有水平偏振，且两偏振光强相等。光学参量放大器OPA1腔中心放置非线性晶体13，通过控温模块3对非线性晶体13进行初步控温。绿光分成两束，其中一束经声光调制器6进行调制，另一束作为OPA1腔的泵浦场，通过绿光高反镜17、18从平凹镜12端入射腔内。当泵浦场功率运转于阈值以下时，OPA1腔输出信号经绿光高反镜17给出一部分光信号p，其p光分量被探测器21探测；射频源22输出正弦信号，分成两路，其中一路加载到相位调制器PM23上，另一路与探测器21输出的交流信号在混频器24上混频，混频信号经滤波处理以及放大器25放大之后加载到压电陶瓷PZT26上，完成对OPA1腔的腔长进行锁定。OPA1腔反射场经过50/50分束器14分束，其反射部分通过误差信号产生单元4产生温度误差信号。误差信号通过高精度控温反馈回路模块5，输出电压加载到声光调制器6上，用于调制。入射绿光经声光调制器6移频100MHz和光强调制，取其1级衍射，注入OPA1腔中，从非线性晶体中心穿过，利用光热效应，通过非线性晶体中心绿光光强变化对晶体温度进行精细调节和锁定，使得信号场与闲置场同时共振，其精度更高。

如图2所示，所述误差信号产生单元4包括λ/4波片42、偏振分束棱镜43、两个直流探测器44、45和直流加减法器46，λ/4波片42设在偏振分束棱镜43的前面，且旋转45°，两个直流探测器44、45设在偏振分束棱镜43的两个输出端口，第一个直流探测器44的信号输出端与直流加减法器46负极连接，第二个直流探测器45的信号输出端与直流加减法器46正极连接。二类光学参量放大器OPA1反射光经50/50分束器14分束，反射光通过λ/4波片42，波片旋转45度，再经过偏振分束棱镜43分成两束进入两直流探测器44、45，再进入加减法器做加减法运算46，输出误差信号。

如图3所示，所述温度反馈回路模块5包括PID控制单元51和压控振荡器52，PID控制单元51的信号输出端与压控振荡器52的信号输入端连接，压控振荡器52的信号输出端与声光调制器6的信号输入端连接。误差信号产生单元4提取出的误差信号通过PID控制模块51转换成控制电压信号，再将控制电压信号输出给压控振荡器VCO52，VCO52输出电压加载到声光调制器6上，用来对绿光进行移频操作和光强调制，其一级衍射光注入非线性晶体13。

一种使用上述的纠缠源的高精度温度锁定装置的锁定方法，其包括如下步骤：

(1)通过控温模块3对光学参量放大器1腔内非线性晶体13进行初步控温，使得两下转换光接近共振，接近重合时，采用PDH稳频模块2实现单个偏振光的共振；

(2)当周边环境温度变化引起光学参量放大器1腔长变化，导致两偏振光失谐，产生相位差，主光路中的分束器14将光学参量放大器1腔的反射光导入误差信号产生单元4的λ/4波片42，波片旋转45度，再经过偏振分束棱镜43分成两束光进入两个直流探测器44、45，然后两个直流探测器44、45再将转换成的电信号导入直流加减法器46做加减法运算，获得控温误差信号；误差信号可由下式获得：

$V_{ErrorSignal}\∝2E_0^2{t}_1^2{r}_2\frac{\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\δ}T\right)}{{\left(1-r_1{r}_2\right)}^2+4r_1{r}_2{\sin }^2\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\δ}T\right)}{2}}\frac{r_1-r_2}{1-r_1{r}_2}$

其中

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\δ}T\right)=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{nL}}_c\[\frac{1}{n}\left(\frac{{\mathrm{dn}}_S}{dT}-\frac{{\mathrm{dn}}_p}{dT}\right)+\left(a_S-a_p\right)\]\mathrm{\δ}T$

式中：E₀为入射光振幅，t_i，r_i，(i＝1，2)为两腔镜振幅透射率和反射率，Δδ为腔失谐，与温度改变量δT有关，n_s、n_p分别为s偏振、p偏振时晶体折射率，当

两偏振在腔内精确共振时，存在n_s＝n_p＝n，L_c为晶体长度，a_s、a_p分别为晶体对s偏振和p偏振光的热膨胀系数，为晶体对s偏振和p偏振的热光系数；

(3)误差信号进入温度反馈回路模块5的PID控制单元51和压控振荡器52中，输出控制电压信号进入声光调制器6，对绿光进行移频操作及光强调制，取绿光一级衍射注入主光路光学参量放大器1的腔内，对腔内非线性晶体13温度进行调节和锁定，使得腔内信号光与闲置光共振，且长时间稳定输出。

图4是本发明纠缠源的高精度温度锁定误差信号图；图中：(a)图是监视电压，(b)图是s偏透射峰，(c)图是控温误差信号。

图5是本发明纠缠源的高精度温度锁定结果图；图中：(a)图是p偏振光输出，(b)图是s偏振光输出，(c)图是误差信号。其中0-13s为反馈回路开启的情况，13s时，断开反馈回路，28s时，开启反馈回路，在30s处，闲置光与信号光同时精确共振。

本实施例仅是典型讨论了通过本发明如何进行纠缠源的高精度温度控制和锁定。本发明可以扩展到各种波长和其他双共振谐振器中高精度温度控制和锁定，保证长时间稳定的纠缠源输出。

Claims (4)

1.一种纠缠源的高精度温度锁定装置，包括含二类光学参量放大器1的主光路、PDH稳频模块2和控温模块3，其特征在于：它还包括误差信号产生单元4、温度反馈回路模块5和声光调制器6，所述误差信号产生单元4与温度反馈回路模块5连接，将二类光学参量放大器1因周边环境温度变化引起腔长变化的误差信号提取出传输给温度反馈回路模块5；所述温度反馈回路模块5与声光调制器6连接，温度反馈回路模块5将误差信号转变为输出控制电压信号加载到声光调制器6上，用来对绿光进行移频操作及光强调制。

2.根据权利要求1所述的一种纠缠源的高精度温度锁定装置，其特征在于：所述误差信号产生单元4包括λ/4波片42、偏振分束棱镜43、两个直流探测器44、45和直流加减法器46，λ/4波片42设在偏振分束棱镜43的前面，且旋转45°，两个直流探测器44、45设在偏振分束棱镜43的两个输出端口，第一个直流探测器44的信号输出端与直流加减法器46负极连接，第二个直流探测器45的信号输出端与直流加减法器46正极连接。

3.根据权利要求1所述的一种纠缠源的高精度温度锁定装置，其特征在于：所述温度反馈回路模块5包括PID控制单元51和压控振荡器52，PID控制单元51的信号输出端与压控振荡器52的信号输入端连接，压控振荡器52的信号输出端与声光调制器6的信号输入端连接。

4.一种使用权利要求1所述的纠缠源的高精度温度锁定装置的锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)通过控温模块3对光学参量放大器1腔内非线性晶体13进行初步控温，使得两下转换光接近共振，接近重合时，采用PDH稳频模块2实现单个偏振光的共振；

(2)当周边环境温度变化引起光学参量放大器1腔长变化，导致两偏振光失谐，产生相位差，主光路中的分束器14将光学参量放大器1腔的反射光导入误差信号产生单元4的λ/4波片42，波片旋转45度，再经过偏振分束棱镜43分成两束光进入两个直流探测器44、45，然后两个直流探测器44、45再将转换成的电信号导入直流加减法器46做加减法运算，获得控温误差信号；

(3)误差信号进入温度反馈回路模块5的PID控制单元51和压控振荡器52中，输出控制电压信号进入声光调制器6，对绿光进行移频操作及光强调制，取绿光一级衍射注入主光路光学参量放大器1的腔内，对腔内非线性晶体13温度进行调节和锁定，使得腔内信号光与闲置光共振，且长时间稳定输出。