CN106301595B - 一种oam光子态分离器 - Google Patents

Abstract

一种N维OAM光子态分离器，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1，2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换。

Description

一种OAM光子态分离器

技术领域

本发明涉及本发明涉及信息处理技术领域，具体涉及一种OAM光子态分离器。

背景技术

轨道角动量(OAM)光子态的希尔伯特空间的维度原则上可以无限大，因此，OAM光子态的在高维量子信息处理中扮演者重要角色。作为高维量子态，OAM光子纠缠态实现了高维贝尔不等式验证，并且在量子精密测量中起到了重要而独特的作用；作为高维量子比特的载体，OAM光子态是高维量子通信的主要候选者之一；作为轨道角动量的携带者，OAM光子态在光机械研究中有重要应用，如光镊。

在以上所述领域中利用OAM光子态的基本前提是：1.制备符合要求OAM光子态；2.高效地分离和测量OAM光子态。现有技术已经能制备出纯度很高的OAM光子态，但是相应的高效分离测量装置，尤其是非破坏分离，仍然是OAM光子态应用的主要瓶颈之一。目前，OAM光子态的测量方案主要有以下几种：

1.利用涡旋光相位片(VVP)或空间光调制器(SLM)，将特定阶数的OAM光子态转换为高斯光，并在后续光路中只允许高斯光通过，从而实现某一特定阶数的OAM光子态的分离测量。

2.利用保角变换，将OAM光子态转换为平面光，然后利用透镜将不同阶OAM光子态对应的平面光聚焦到不同的空间位置，从而实现OAM光子态的分离测量。

3.利用马赫-曾德干涉仪(MZI)和道威棱镜(Dove prism)调制OAM光子态，并利用干涉原理，使奇数阶和偶数阶的OAM光子态从MZI的不同出射端出射，从而实现OAM光子态的分离测量。

方案1只能分离出某一特定的量子态并实现测量(改进后的方案能分离多个量子态，但仍然远不能满足需要)，且分离测量效率很低。虽然方案2能较为高效地同时分离20-30个不同的量子态，但是方案1和2的分离测量过程都需要把OAM光子态转换为高斯光或平面光，破坏了原来的量子态，因此分离后的光子态不能用作进一步的量子操作。这些缺点严重限制了OAM光子态在量子信息处理中的应用。方案3能实现OAM光子态的非破坏分离，但是该方案只能将奇数阶和偶数阶的OAM光子态分离开，如果要实现不同偶数阶(奇数阶)量子态的分离，则需要级联MZI结构，并且级联结构之间需要加入VPP改变OAM光子态的阶数。由于Gouy相位因子的存在，加入的VPP会导致不同阶OAM光子态的相位发生改变，从而影响干涉可见度，随着OAM光子态阶数和级联MZI数目的增加，OAM光子态的分离效率和纯度将不断下降。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种OAM光子态分离器，为一种OAM光子态非破坏分离器。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种N维OAM光子态分离器，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1，2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换，所述第一N维多通道分束器的N个入射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个入射端口，所述第二N维多通道分束器的N个出射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个出射端口。

在一实施例中，当N＝2时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器为一4通道分束器，所述4通道分束器呈平行六面体形，由两直角棱镜拼接而成，其中一直角棱镜的直角面与另一直角棱镜的直角面相拼接；当N≥3时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器包括：反射镜；个4通道分束器，所述4通道分束器呈平行六面体形，由两直角棱镜拼接而成，其中一直角棱镜的直角面与另一直角棱镜的直角面相拼接；以及个相位调制器；其中，每一所述4通道分束器的入射端口前均设置一所述的相位调制器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种并行级联结构的OAM光子态分离器，包括一个p维OAM光子态分离器和p个q维OAM光子态分离器，p维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个q维OAM光子态分离器，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2。

根据本发明的另一个方面，提供了一种并行多级级联结构的OAM光子态分离器，包括1个p₁维的OAM光子态分离器作为第1级，p₁个p₂维的OAM光子态分离器作为第2级，p₁·p₂个p₃维的OAM光子态分离器作为第3级，…，p₁·p₂·…·p_j-1个p_j维的OAM光子态分离器作为第j级，p₁，p₂，…，p_j两两互质，第i级中的每一个p_i维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个第i+1级中p_i+1维OAM光子态分离器，其中p₁维OAM光子态分离器、p₂维OAM光子态分离器、……及p_j维的OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p₁、p₂…、p_j时的情况，p₁、p₂...、p_j为正整数，p₁、p₂...、p_j≥2，j为正整数，i＝1，2…，j-1。

根据本发明的另一个方面，提供了一种时间延迟级联结构的OAM光子态分离器，包括一个p维OAM光子态分离器和一个q维OAM光子态分离器及p个时间延迟器TD，p维OAM光子态分离器的每一出射端口通过一时间延迟器级联所述q维OAM光子态分离器一相应的入射端口，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)采用两个新型N维多通道分束器和N个保自旋角动量的道威棱镜模块实现N个OAM光子态的非破坏分离；

(2)、道威棱镜模块为在道威棱镜后设置四分之一波片可以补偿光子态的自旋角动量；

(3)、采用平行六面体形的保OAM的新型4通道分束器(BS)构建新型N维多通道分束器来实现N维幺正变换；

(4)、采用并行级联、并行多级级联及时间延迟级联结构的OAM光子态分离器来简化装置结构。

附图说明

图1(a)为现有技术中4通道分束器的结构示意图

图1(b)为本发明实施例中新型4通道分束器的结构示意图；

图2为采用图1(a)中4通道分束器的N维多通道分束器的结构示意图；

图3为本发明实施例中的OAM光子态分离器的示意图；

图4为图3中OAM光子态分离器中新型N维多通道分束器的道威棱镜模块的结构示意图；

图5为本发明实施例中并行级联结构的OAM光子态分离器的示意图；

图6为本发明实施例中并行多级级联结构的OAM光子态分离器的示意图；

图7为本发明实施例中时间延迟级联结构的OAM光子态分离器的示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供一种新型4通道分束器(BS)，来克服现有的4通道分束器(BS)不保轨道角动量，光子的OAM经过现有的4通道分束器(BS)的反射后会被反演的问题，即原来l阶的OAM光子态反射后被反演成了-l阶的OAM光子态。

该新型4通道分束器(BS)为一平行六面体形，包括由两个直角棱镜拼接而成，与现有4通道分束器(BS)采用将两个直角棱镜的斜面拼接而成不同，该新型4通道分束器(BS)采用将两个直角棱镜的直角面拼接而成，可以保轨道角动量，即保持轨道角动量(OAM)不变。

现有的典型4通道分束器结构如图1(a)所示，本发明新型4通道分束器结构如图1(b)所示，其中1，2为入射端口，1’，2’为出射端口。两者的区别在于，新型的四通道BS对于1-＞1’的路径利用了面I的全反射和面II的反射，1-＞2’的路径，利用了面I和面III的两次全反射，2-＞2’利用了面II的反射和面III的全反射。除路径2-＞1’只经过了一次透射之外，光子在其他三条路径中传输时均经过了两次反射，因此其出射时的OAM仍为l；而现有的典型4通道分束器，1-＞2’和2-＞1’两条路径均只经过了一次反射，因此光子的OAM将由l变为-l，即无法保持。

如图1(b)所示，从入射端口1入射的光子态|l>_OAM在内表面I发生全反射并反演为|-l>_OAM，然后经过50：50透反比的表面II。反射部分再次被反演为|l>_OAM，从出射端口1’出射。透射部分在内表面III发生全反射，最终也被反演为|l>_OAM，从出射端口2’出射。反射部分和透射部分最终的出射态均为|l>_OAM。同理从入射端口2入射的OAM光子态的最终出射态也均为|l>_OAM。

本领域中，常规的N维多通道分束器由现有的4通道分束器(BS)、相位调制器和反射镜组成，其中N为正整数，且N≥2。以4维多通道分束器为例，结构如图2所示。

鉴于现有4通道分束器(BS)的不保轨道角动量特性，采用现有4通道分束器(BS)设计的N维多通道分束器并不能直接用于OAM光子态的幺正变换。

本实施例提供了一种新型N维多通道分束器，采用上述的新型4通道分束器(BS)、相位调制器和反射镜组成，即将常规的N维多通道分束器中的现有的4通道分束器(BS)换成图1(b)中的保OAM的新型4通道分束器(BS)，就能获得实现OAM光子态的N维幺正变换的新型N维多通道分束器。

本实施例还提供一种OAM光子态分离器，其对轨道角动量光子态没有破坏，为非破坏的OAM光子态分离器。利用上述新型N维多通道分束器，采用两个新型N维多通道分束器和N个保自旋角动量(SAM，即偏振态)的道威棱镜模块实现N个不同模式OAM光子态的分离。

如图3所示，第一新型N维多通道分束器U_N1与第二新型N维多通道分束器U_N2级联，均包括N个入射端口和N个出射端口，第一新型N维多通道分束器U_N1的N个出射端口通过N个改进型道威棱镜模块PM与第二新型N维多通道分束器U_N2的N个相应入射端口相连接。

其中，改进型道威棱镜模块如图4所示，其包括一道威棱镜及一四分之一波片，四分之一波片级联在道威棱镜之后，当OAM光子态经过道威棱镜时，OAM光子态的相位该变量φ正比于道威棱镜的旋转角度α和OAM光子态的阶数l，光子态的自旋角动量(SAM，即偏振态)也会发生改变，|H>→|H>+i|V>，，其中|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态，即线偏光变成了圆偏光。道威棱镜后的四分之一波片正好补偿SAM的旋转量，使得最终出射态的SAM保持不变。

OAM光子态从第一个新型N维多通道分束器的任意入射端口入射，然后该光子同时从N个出射端口出射并且经过N个保自旋角动量的道威棱镜模块。接着，该光子态同时从第二个新型N维多通道分束器的N个入射端口入射。不同阶的OAM光子态最终从不同的出射端口出射。

具体的，新型N维多通道分束器实现的幺正变换矩阵元为其中a、b分别是幺正变换矩阵的行、列号。道威棱镜模块的旋转角度为α_k＝k·2π/N，k为OAM光子态的初始入射端口及其对应的道威棱镜模块，1≤k≤N，N为新型N维多通道分束器的维度。对于从初始k端口入射的OAM光子态的描述是量子态的狄拉克符号，|k>表示量子态的出射端口为k，|l>_OAM表示OAM光子态的阶数为l，圈乘符号表示直积，即将OAM态的空间和端口态空间组成一个扩展的复合空间。经过第一个新型N维多通道分束器U_N1之后的出射态为：

其中m表示第一个新型N维多通道分束器的出射端口，1≤m≤N。

经过道威棱镜模块调制后，第二新型N维多通道分束器U_N2处的入射态为：

最终的出射态为：

其中，|N+2-k-l′>_out，2、|2N+2-k-l′>_out，2表示出射端口的量子态，|l>_OAM表示OAM光子态，l′＝l mod N，N为新型N维多通道分束器的维度，k为OAM光子态的初始入射端口，l表示OAM光子态的阶数。最终，不同阶的OAM光子态被分离开，且分离器保持了OAM光子态的量子特性，图3中示例给出了k＝1的情况。

本发明中的轨道角动量光子态的非破坏分离器，由于OAM光子态经过道威棱镜时的相位变化与其阶数l成正比，因此道威棱镜引入的不同相位导致不同阶的OAM光子态经过两个幺正变换后从第二个N维多通道分束器的不同出射端口出射，该非破坏分离器的逆变换则可以实现不同阶OAM光子态的合束。本发明不需要主动调制器件，可以实现光子态的高速分离及测量。

正如上文所述，在轨道角动量光子态的非破坏分离器采用两个新型N维多通道分束器和N个保自旋角动量(SAM，即偏振态)的道威棱镜模块实现N维OAM光子态的分离，当N为较大数值时，新型N维多通道分束器不易构建，其结构非常复杂，难以制作。为了克服该问题，本发明还提供以下几种OAM光子态分离器。

实施方式1：

本实施方式提供一种并行级联结构(PCS)的OAM光子态分离器，结构如图5所示，来代替图3所示的相同维数的OAM光子态分离器。

其具体实施结构是在一个p维OAM光子态分离器后并行级联p个q维OAM光子态分离器，如图5所示，p维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个q维OAM光子态分离器。这一结构可以同时分离[p，q]维OAM光子态，其中[p，q]表示p和q的最小公倍数。

如果p和q互质，对于分离N维OAM光子态来说，那么这种级联结构需要的新型4通道分束器(BS)数量而直接使用1个相同维数的OAM光子态分离器(如图2所示)需要的新型4通道分束器(BS)数量为d_N＝N²-N。因此PCS结构使得本发明提出的OAM光子态分离器可以向更高维度扩展，优选的p＞q。

实施方式2：

本发明提出一种并行多级级联结构(PMCS)的OAM光子态分离器，结构如图6所示。PMCS-OAM光子态分离器包括1个p₁维的OAM光子态分离器作为第1级，p₁个p₂维的OAM光子态分离器作为第2级，p₁·p₂个p₃维的OAM光子态分离器作为第3级，…，p₁·p₂·…·p_j-1个p_j维的OAM光子态分离器作为第j级，其中p₁，p₂，…，p_k两两互质，第i级中的每一个p_i维OAM光子态分离器与第i+1级中相应的p_i个p_i+1维OAM光子态分离器的连接方式参照实施方式1中的连接方式，i＝1，2，……，j-1，j为正整数。该结构的分离器可以同时分离p₁·p₂·…·p_j维OAM光子态。当实现相同维数OAM光子态分离时，而所需的新型4通道分束器(BS)数量比实施方式1中级联结构(PCS)结构更少。优选的p₁＞p₂＞…＞p_i。

实施方式3：

本发明提出了一种时间延迟级联结构(TDCS)的OAM光子态分离器，结构如图7所示。该结构的分离器包括一个p维OAM光子态分离器和一个q维OAM光子态分离器，及p个时间延迟器TD，其中p和q互质，p维OAM光子态分离器的每一出射端口通过一时间延迟器与q维OAM光子态分离器一入射端口级联，该采用分时的方式减少第一实施方式中q维OAM光子态分离器的数量。其中p＞q。

对于分离N维OAM光子态来说，该结构所需的BS数目满足进一步节约了资源，增强了OAM光子态分离器的实用性和维度的可扩展性。

TDCS-OAM光子态分离器并不限于图5所示的两级级联，比如图6的PMCS-OAM光子态分离器就可以用k级级联的TDCS-OAM光子态分离器来实现，这样能进一步减少资源的消耗，提高超高维OAM光子态分离器的实用价值。

应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换：

1)本发明中的N维多通道分束器还可以采用集成光学工艺的方式代替实施例中由新型4通道分束器、相位调制器及反射镜组装的方式。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种N维OAM光子态分离器，其特征在于，包括：

第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；

第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；

N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1，2，…，N；

其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换，所述第一N维多通道分束器的N个入射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个入射端口，所述第二N维多通道分束器的N个出射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个出射端口。

2.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于，OAM光子态从第一N维多通道分束器入射端的任意端口入射，不同阶的OAM光子态从第二N维多通道分束器不同的出射端口出射，出射态|ψ>_out，2为：

其中，|N+2-k-l′>_out，2、|2N+2-k-l′>_out，2表示出射端口的量子态，|l>_OAM表示l阶OAM光子态，l′＝l mod N，N为N维多通道分束器的维度，k为OAM光子态的初始入射端口，U_N为N维幺正变换矩阵，|ψ>_in，2第二N维多通道分束器的入射态。

3.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于：所述保SAM的道威棱镜模块包括道威棱镜及级联在其后的四分之一波片。

4.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于，

当N＝2时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器为一4通道分束器，所述4通道分束器呈平行六面体形，由两直角棱镜拼接而成，其中一直角棱镜的直角面与另一直角棱镜的直角面相拼接；

当N≥3时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器包括：

反射镜；

个4通道分束器，所述4通道分束器呈平行六面体形，由两直角棱镜拼接而成，其中一直角棱镜的直角面与另一直角棱镜的直角面相拼接；以及

个相位调制器；

其中，每一所述4通道分束器的入射端口前均设置一所述的相位调制器。

5.一种并行级联结构的OAM光子态分离器，其特征在于，包括一个p维OAM光子态分离器和p个q维OAM光子态分离器，p维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个q维OAM光子态分离器，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为如权利要求1至4中任一所述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2。

6.根据权利要求5所述并行级联结构的OAM光子态分离器，其特征在于：p与q互质，且p＞q。

7.一种并行多级级联结构的OAM光子态分离器，其特征在于，包括1个p₁维的OAM光子态分离器作为第1级，p₁个p₂维的OAM光子态分离器作为第2级，p₁·p₂个p₃维的OAM光子态分离器作为第3级，…，p₁.p₂.….p_j-1个p_j维的OAM光子态分离器作为第j级，p₁，p₂，…，p_j两两互质，第i级中的每一个p_i维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个第i+1级中p_i+1维OAM光子态分离器，其中p₁维OAM光子态分离器、p₂维OAM光子态分离器、……及p_j维的OAM光子态分离器分别为如权利要求1至4中任一所述的N维OAM光子态分离器N＝p₁、p₂…、p_j时的情况，p₁、p₂...、p_j为正整数，p₁、p₂...、p_j≥2，j为正整数，i＝1，2…，j-1。

8.根据权利要求7所述的并行多级级联结构的OAM光子态分离器，其特征在于，p₁＞p₂＞…＞p_j。

9.一种时间延迟级联结构的OAM光子态分离器，其特征在于，包括一个p维OAM光子态分离器和一个q维OAM光子态分离器及p个时间延迟器TD，p维OAM光子态分离器的每一出射端口通过一时间延迟器级联所述q维OAM光子态分离器一相应的入射端口，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为如权利要求1至4中任一所述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2，p与q互质，且p＞q。