CN107422572A - 一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括泵浦单元，纠缠光子对产生单元、波分复用单元和宣布单元。泵浦单元的脉冲激光器发射通信波段1550nm波长附近的脉冲宽度为τ的激光，经过马赫‑曾德尔干涉仪形成时间间隔为T(T＞τ)的时间纠缠脉冲对；纠缠脉冲对经过光纤耦合进纠缠对产生单元的高Q值的微环腔，由于微环腔内的三阶非线性作用，使得时间纠缠的泵浦光脉冲转化为可控的大量多波长的时间纠缠的光子对；波长不同的时间纠缠光子对经由波分复用单元以不同的出口出射，到达宣布单元；宣布单元的若干个单光子探测器，根据对应通道检测闲频光的响应情况来宣布信号单光子的产生，从而发射出通信波段的多波长单光子。

Description

一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统
技术领域
本发明涉及量子信息技术以及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。
背景技术
单光子源是指在某一时刻仅仅发射一个光子的光源，是研究量子物理和量子信息技术的一个重要工具。单光子源在量子信息领域中扮演着一个重要的角色，尤其在量子通信和量子计算研究领域都需要稳定的、高速的单光子源，因而单光子源是当前的研究热点。量子通信实验中人们普遍利用相位随机化的精密控制强光衰减弱相干光用作准单光子源(例如监控输出功率，控制每个脉冲的平均光子数为0.1)，相位随机化的弱相干光的光子数分布服从泊松分布式中λ为平均光子数，k为光子数，P(x＝k)为光子数为k时的概率，e为自然常数，对于平均光子数为0.1的弱相干光，空脉冲的概率为0.9，单光子概率为0.09，两个及两个以上光子概率为0.01，由此可以看出弱相干光存在大量空脉冲与少量的多光子脉冲，因此实际应用中也会带来低效率与安全性差的问题。
对于近理想的单光子源，现有技术中通常利用量子点、单个原子来产生单光子。量子点光源很接近理想的单光子源，已经在量子通信中有所应用，但是这中方法需要复杂的结构、极低的温度(小于10K)。且收集效率不高，很难高效地与单模光纤耦合。利用囚禁的单个原子或分子可以制成接近理想的单光子源，但是单个原子或者分子的俘获是一个复杂的技术，因此限制了他的应用。另一种方法是采用二阶非线性效应的孪生光子对，探测一个闲频光子宣布另一个信号光子的存在，但是孪生光子对的产生本身就是概率性的，并且宣布效率较低(小于0.5)，此外此种宣布式单光子源也较难高效的与单模光纤耦合。
发明内容
本发明提供一种可以提高单光子的产生率和利用率的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括顺次连接的泵浦单元，纠缠光子对产生单元、波分复用单元和宣布单元；所述泵浦单元包括激光器和马赫-曾德尔干涉仪；所述纠缠光子对产生单元包括微环腔和光纤耦合器；所述波分复用单元包括波长选择装置；所述宣布单元包括单光子探测装置和发射装置；
所述激光器产生脉冲激光，通过马赫-曾德尔干涉仪转化为具有稳定时间间隔的时间纠缠脉冲对：式中|Ψ>表示态矢量，S和L分别代表经过短臂和经过长臂的光脉冲；
时间纠缠的脉冲对通过光纤耦合器耦合进微环腔，在微环腔内产生三阶非线性效应，从而产生时间纠缠的光子对：式中|Ψtime-bin>表示时间纠缠的态矢量，|Ss,Si>和|Ls,Li>分别表示经过短路径和长路径后，在非线性过程作用下产生的信号光和闲频光，S和L分表代表短路径和长路径，下标s和i分别代表信号光子和闲频光子；
时间纠缠光子对经过波分复用单元解复用成为关于泵浦波长对称的时间纠缠的单光子，通过单光子探测器探测响应后宣布纠缠光子的存在。
优选地，波长选择装置是阵列波导光栅或者波长选择开关。
优选地，所述激光器输出激光波长是通信波段1260nm～1675nm的脉冲激光器。
优选地，所述微环腔是在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微米量级的微环谐振腔，其品质因数大于180000。
进一步地，所述微环腔将自动地对输入的脉冲波长进行滤波，选择匹配的波长耦合进腔内，由于三阶非线性效应，时间纠缠的脉冲光在微环腔内转化为时间纠缠的、波长关于泵浦波长对称的纠缠光子对，纠缠光子对的其中一个光子称作闲频光子，另一个称作信号光子。
进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪包含相互连接的第一、第二光纤耦合器，其中一个用作分束器，另一个用作耦合器。
进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪产生的稳定时间间隔大于脉冲光束的时间宽度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明采用的微环腔产生波长不同的多对纠缠光子对，多个单光子探测器宣布多波长光子，可以提高单光子的产生率和利用率；泵浦源采用通信波段1550nm波长附近，提供宣布式多波长单光子源有利于在量子通信和量子信息处理中的应用；微环腔利用现有的CMOS工艺技术，可以大规模生产高质量微环腔；采用M-Z干涉仪，波分复用器件，器件简易，并不需要苛刻的工作条件，有更好的实用性。
附图说明
图1为本发明的泵浦单元和纠缠光子对产生单元；
图2为本发明的波分复用单元和宣布单元；
图3为本发明的工作原理图；
图4为本发明的工作框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-4所示，一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括泵浦单元1、纠缠光子对产生单元2、波分复用单元3和宣布单元4。所述各个单元之间通过光纤连接，其中：
所述泵浦单元1包括激光器101，光纤分束器102，光纤耦合器103；激光器101为波长为通信波段1550nm波长附近的激光器，用于产生脉冲激光，光纤分束器102，光纤耦合器103构成马赫-曾德尔干涉仪，产生时间纠缠的脉冲激光。所述马赫-曾德尔干涉仪产生的时间纠缠脉冲光，脉冲的时间间隔大于激光器产生脉冲的时间宽度；马赫-曾德尔干涉仪是一种常用的精密光学装置，光纤分束器-102将一束入射光分为两束，分别走长臂和短臂。对于每一个光子而言，可用算符表示，为产生光子算符，in表示输入的光子，L表示长臂，S表示短臂，T表示长臂延时的时间，t表示时刻。对于多个光子组成的激光脉冲，忽略相位因素我们可以得到时间间隔T(其中时间间隔T＞τ)的时间纠缠的脉冲对：St和Lt分别表示t时刻走短臂和长臂的光脉冲。通过调节长臂和短臂的相对长度来产生不同时间间隔的脉冲，两束光之间有确定的时间和路径关系，从而能够形成纠缠脉冲对。
所述纠缠对产生单元2包括微环腔和相应的耦合器件，微环腔201采用标准的CMOS工艺制造，在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造高Q值的微环腔201。泵浦光耦合进微腔中与回音壁模式产生共振，能够实现光场的相干叠加，极大地增强光与微腔材料的非线性作用；级联的克尔效应四波混频光参量振荡可实现入射光频谱非线性的扩展为梳状频谱，具体过程可由GLLE公式描述
式中E为谐振腔场强，Ein为泵浦光场强，Tr为弛豫时间，L为腔长R(t)＝(1-fR)δ(t-te)+fRhR(t)，t,τ分别为快慢时间，δ0为腔失谐量，α为每个弛豫的损耗，θ为能量传输系数，βk为k阶群色散。利用光频梳的产生过程中的级联四波混频效应，可制备大量不同波长的纠缠光子对，探测闲频光获得高保真的信号光。
所述波分复用单元3包括波长选择装置301，波长选择装置301可以是阵列波导光栅或者波长选择开关，本实施例中波长选择装置301采用阵列波导光栅；
所述宣布单元4包括第一探测器40-1，第二探测器40-2，第n探测器40-n，第一发射端41-1，第二发射端41-2，第n发射端41-n，所述探测器为单光子探测器，单光子探测器检测闲频光子是否存在，以宣布信号是否存在；
本发明工作时，所述激光器101发出通信波段1550nm波长附近的脉冲为τ激光，通过光纤分束器102、光纤耦合器103组成的马赫-曾德尔干涉仪，将脉冲激光转化成稳定的时间间隔T(其中时间间隔T＞τ)的时间纠缠的脉冲对：耦合进微环腔进行泵浦，式中|Ψ>表示态矢量，S和L分表代表经过短臂和经过长臂的光脉冲。经过光纤耦合到高Q值的微环腔201内发生三阶非线性过程，从而产生时间纠缠的光子对：式中|Ψtime-bin>表示时间纠缠的态矢量，|Ss,Si>和|Ls,Li>分别表示经过短路径和长路径后，在非线性过程作用下产生的信号光和闲频光，S和L分表代表短路径和长路径，下标s和i分别代表信号光子和闲频光子；由于微环腔内三阶非线性过程产生的时间纠缠光子对通过光纤耦合到波分复用单元3的波长选择装置301，根据波长选择相应的输出端口，由40-1～40-n单光子探测器检测闲频光是否产生，宣布对应的41-0～41-n发射端信号光子的产生，获得多波长信号光子；
所述激光器101可选择通信用半导体脉冲可调谐激光器，将中心波长调谐到1550nm附近便于和微环腔的耦合；
所述通过光纤分束器102、光纤耦合器103组成的马赫-曾德尔干涉仪，其主要作用为将单脉冲激光转化为时间纠缠的脉冲激光对，时间纠缠的时间间隔T需要大于脉冲的时间宽度τ，目的是形成相互独立的两个脉冲。通过调节马赫-曾德尔干涉仪的两个长臂短臂的相对长度可以调整时间纠缠脉冲的时间间隔的大小，但是需满足条件T＞τ；
所述微环腔201采用高折射率二氧化硅玻璃，在1550nm处具有低损耗(<0.6dB/cm)，异常波导色散的非线性光学损耗可忽略不计，且在1560附近有零波长色散，是制作微环腔的理想材料之一。
所述波分复用单元3包括波长选择装置301，本实施例中波长选择装置301采用阵列波导光栅，阵列波导光栅可以将不同波长的光子分开，而不是单独选择某一个。
所述宣布单元4包括第一单光子探测器40-1，第二单光子探测器40-2，第n单光子探测器40-n，第一单光子发射端41-1，第二单光子发射端41-2，第n单光子发射端41-n，可以灵活的根据实际情况增减；单光子探测器响应意味着探测到了纠缠光子对的其中一个，也就宣布了另一个的存在，通过发射端发射单光子用于量子通信或者量子信息处理；我们采用多个探测端口和发射端口大大增加了宣布式单光子源可靠性。
所述40-1～40-n单光子探测器可以选择雪崩光电二极管(APD)作为单光子探测装置，APD的量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低；
所述发射单元可选择直接在光纤端面镀一层增透膜。
以t时刻激光器产生的激光脉冲为例。激光脉冲的每一个光子经过马赫-曾德尔干涉仪，我们有 为产生光子算符，in表示输入的光子，L表示长臂，S表示短臂，T表示长臂延时的时间，t表示时刻。对于多个光子组成的激光脉冲，忽略相位因素我们可以得到时间间隔T(其中时间间隔T＞τ)的时间纠缠的脉冲对：St和Lt分别表示t时刻走短臂和长臂的光脉冲。激光脉冲耦合进微环腔进行泵浦，高Q值的微环腔内发生三阶非线性过程(具体过程由GLLE公式描述)，产生大量时间纠缠的闲频光和信号光光子对： λ1、λ2，λ3、λ4，…，λn、λn+1分别关于泵浦光对称。经过阵列波导光栅对不同波长的光子分离，如分离出λ1、λ2，单光子探测器探测到波长为λ2闲频光子，此光子触发单光子探测器响应以宣布波长为λ2信号光子的产生，并通过光纤发射。通过分离出λ1、λ2，λ3、λ4，…，λn、λn+1波长的光子，获得多波长的多个单光子输出。
通过上述具体实施方式的说明，我们提出的一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统和方法，该系统将波长为通信波段1550nm波长附近的激光器、马赫-曾德尔干涉仪、微环腔、波分复用装置、单光子探测器通过光纤连接起来，通过波分复装置将不同波长的光子分开，利用单光子探测器对闲频光子的响应来宣布信号光子的存在。发射的单光子波长在通信波段1550nm波长附近，易于传输，便于调制，通过波分复用单元将各个光子发送到不同的光纤信道，各信道之间相对独立，保证了单光子的较高的产生率和利用率。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，包括顺次连接的泵浦单元，纠缠光子对产生单元、波分复用单元和宣布单元；所述泵浦单元包括激光器和马赫-曾德尔干涉仪；所述纠缠光子对产生单元包括微环腔和光纤耦合器；所述波分复用单元包括波长选择装置；所述宣布单元包括单光子探测装置和发射装置；
所述激光器产生脉冲激光，通过马赫-曾德尔干涉仪转化为具有稳定时间间隔的时间纠缠脉冲对：式中|Ψ>表示态矢量，S和L分别代表经过短臂和经过长臂的光脉冲；
时间纠缠的脉冲对通过光纤耦合器耦合进微环腔，在微环腔内产生三阶非线性效应，从而产生时间纠缠的光子对：式中|Ψtime-bin>表示时间纠缠的态矢量，|Ss,Si>和|Ls,Li>分别表示经过短路径和长路径后，在非线性过程作用下产生的信号光和闲频光，S和L分表代表短路径和长路径，下标s和i分别代表信号光子和闲频光子；
时间纠缠光子对经过波分复用单元解复用成为关于泵浦波长对称的时间纠缠的单光子，通过单光子探测器探测响应后宣布纠缠光子的存在。
2.根据权利要求1所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，波长选择装置是阵列波导光栅或者波长选择开关。
3.根据权利要求1所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述激光器输出激光波长是通信波段1260nm～1675nm的脉冲激光器。
4.根据权利要求1所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述微环腔是在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微米量级的微环谐振腔，其品质因数大于180000。
5.根据权利要求4所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述微环腔将自动地对输入的脉冲波长进行滤波，选择匹配的波长耦合进腔内，由于三阶非线性效应，时间纠缠的脉冲光在微环腔内转化为时间纠缠的、波长关于泵浦波长对称的纠缠光子对，纠缠光子对的其中一个光子称作闲频光子，另一个称作信号光子。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪包含相互连接的第一、第二光纤耦合器，其中一个用作分束器，另一个用作耦合器。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪产生的稳定时间间隔大于脉冲光束的时间宽度。
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