CN107579408B - 基于光波导的单光子源产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光波导的单光子源产生装置，属于光学领域，以解决目前的方式制备的单光子源产生单光子的效率低，无法满足量子通信对单光子源码率要求的问题。第一光纤耦合器输入端与第一激光器输出端连，第一光纤耦合器输出端与中心填充有碱金属原子的光波导侧面的第一输入端连；第二光纤耦合器输入端与第二激光器输出端连，第二光纤耦合器输出端与光波导侧面的第二输入端连；光波导径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围；超高反射率腔镜设于光波导轴向一侧，且其与光波导间通过环形压电陶瓷连；高反射率腔镜分别设于光波导轴向另一侧；超高反射率腔镜和高反射率腔镜上均镀有指定波长的膜，指定波长与待产生单光子的波长相等。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于光波导的单光子源产生装置。
背景技术
单光子源是指在同一时间仅仅发射一个光子的光源，它是量子密码学、量子保密通信和量子计算领域的核心部件。
目前单光子源的产生主要基于固体材料中产生，例如：NV色心、量子点或者基于超冷单原子产生。但是通过这些方式制备的单光子源存在单光子产生效率很低，尚无法满足量子通信对单光子源码率的要求。
发明内容
本发明的目的是解决目前的方式制备的单光子源产生单光子的效率低，无法满足量子通信对单光子源码率要求的技术问题，提供一种基于光波导的单光子源产生装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于光波导的单光子源产生装置，包括第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、中心填充有碱金属原子的光波导、超高反射率腔镜、高反射率腔镜和环形压电陶瓷；
所述第一光纤耦合器的输入端与第一激光器的光信号输出端连接，第一光纤耦合器的输出端与光波导侧面的第一输入端连接；第二光纤耦合器的输入端与第二激光器的光信号输出端连接，第二光纤耦合器的输出端与光波导侧面的第二输入端连接；所述光波导的径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围；超高反射率腔镜设置于光波导轴向的一侧，且超高反射率腔镜与光波导之间通过环形压电陶瓷连接；高反射率腔镜分别设置于光波导轴向的另一侧；通过控制环形压电陶瓷的长度可保证超高反射率腔镜与高反射率腔镜之间的腔长与待产生的单光子的波长之间满足驻波腔条件；超高反射率腔镜和高反射率腔镜上均镀有指定波长的膜，所述指定波长与待产生的单光子的波长相等；
其中，第一激光器输出的第一波长的激光经第一光纤耦合器进入光波导及第二激光器输出的第二波长的激光经第二光纤耦合器进入光波导后空间重合，并对光波导中的碱金属原子进行激发，形成高激发态原子；基于偶极阻塞效应，在第一波长的激光和第二波长的激光的作用下，高激发态原子激发相邻碱金属原子向高激发态跃迁，此过程在光波导的轴向形成一维的高激发态原子序列；在高激发态原子的连续制备过程中，高激发态原子自发辐射产生光子，自发辐射产生的光子在轴向传输过程中先后与一维的高激发态原子序列中的高激发态原子作用，形成受激辐射光子；受激辐射光子在镀有指定波长反射膜的超高反射率腔镜和高反射率腔镜多次反射下，从高反射率腔镜连续输出指定波长的单光子序列。
可选地，所述第一波长的激光、第二波长的激光与待产生的单光子的频率之间的关系用公式表示为：
公式(1)至公式(3)中，ER表示高激发态原子能量，Eg表示基态原子能量，表示普朗克常数，c表示光速，λ1和λ2分别表示第一波长和第二波长，Ry表示里德堡常数，n*是与高激发态原子的主量子数n和角量子数l有关的高激发态原子的有效主量子数，v表示待产生的单光子的频率。
可选地，所述光波导的径向尺寸小于原子间距离R，其中原子间距离R满足如下公式(4)：
公式(4)中，ΔE是第二波长的激光的线宽，C6为与高激发态原子量子态有关的常数。
可选地，所述超高反射率腔镜的反射率大于99.99％，高反射率腔镜的反射率大于95％。
本发明的有益效果是：
通过设置光波导型内部填充的碱金属原子在激光作用下形成高激发态原子，并基于高激发态原子之间的偶极阻塞效应在光波导内获得一维的高激发态原子序列，进一步使由高激发态原子自发辐射产生的光子，在与一维高激发态原子相互作用时发生受激辐射从而产生的的相干光子在光波导与其两侧设置的超高反射率腔镜和高反射率腔镜形成的谐振腔内获得有效反馈，形成相干性良好单光子激光输出。因此，与背景技术相比，本发明具有结构紧凑、输出稳定、输出的单光子相干性良好、码率较高等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本实施例中的基于光波导的单光子源产生装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、中心填充有碱金属原子的光波导5、超高反射率腔镜6、高反射率腔镜7和环形压电陶瓷8；所述第一光纤耦合器3的输入端与第一激光器1的光信号输出端连接，第一光纤耦合器3的输出端与光波导5侧面的第一输入端连接；第二光纤耦合器4的输入端与第二激光器2的光信号输出端连接，第二光纤耦合器4的输出端与光波导5侧面的第二输入端连接；所述光波导5的径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围；超高反射率腔镜6设置于光波导轴向的一侧，且超高反射率腔镜与光波导之间通过环形压电陶瓷连接；高反射率腔镜7分别设置于光波导5轴向的另一侧；通过控制环形压电陶瓷的长度可保证超高反射率腔镜与高反射率腔镜之间的腔长与待产生的单光子的波长之间满足驻波腔条件；超高反射率腔镜6和高反射率腔镜7上均镀有指定波长的膜，所述指定波长与待产生的单光子的波长相等；
其中，第一激光器1输出的第一波长的激光经第一光纤耦合器3进入光波导5及第二激光器2输出的第二波长的激光经第二光纤耦合器4进入光波导5后空间重合，并对光波导5中的碱金属原子进行激发，形成高激发态原子；基于偶极阻塞效应，在第一波长的激光和第二波长的激光的作用下，高激发态原子激发相邻碱金属原子向高激发态跃迁，此过程在光波导5的轴向形成一维的高激发态原子序列；在高激发态原子的连续制备过程中，高激发态原子自发辐射产生光子，自发辐射产生的光子在轴向传输过程中先后与一维的高激发态原子序列中的高激发态原子作用，形成受激辐射光子；受激辐射光子在镀有指定波长反射膜的超高反射率腔镜6和高反射率腔镜7多次反射下，从高反射率腔镜7连续输出指定波长的单光子序列。
本实施例中，光波导5内填充的碱金属原子可以为铯。高激发态原子间容易具有强的相互作用，从而能够引起相邻原子的能级发生移动。也就是说，当一个原子到达高激发态，它将阻塞与该高激发态原子相邻的一定空间范围内的原子在同一激光作用下向同一高激发态跃迁，即在激发光线宽确定的情况下，在一定空间范围内只能有一个高激发态原子的激发。
可选地，所述第一波长的激光、第二波长的激光与待产生的单光子的频率之间的关系用公式表示为：
公式(1)至公式(3)中，ER表示高激发态原子能量，Eg表示基态原子能量，表示普朗克常数，c表示光速，λ1和λ2分别表示第一波长和第二波长，Ry表示里德堡常数，n*是与高激发态原子的主量子数n和角量子数l有关的高激发态原子的有效主量子数，v表示待产生的单光子的频率。
具体地，一维的高激发态原子序列中，高激发态原子在上一个高激发态原子自发辐射产生的光子下产生受激辐射光子时，向下一个能级进行跃迁的概率最大，因此，本实施例在确定待产生的单光子的频率时，基于第一波长的激光和第二波长的激光及高激发态原子的角量子数确定。进一步地，由于待产生的单光子的频率/波长与第一波长的激光和第二波长的激光相关，因此，为了获得能够产生不同波长单光子的单光子源，本实施例中可以通过改变第一激光1输出的第一激光的波长来改变待产生的单光子的频率，也可以通过改变第二激光2输出的第二激光的波长来改变待产生的单光子的频率，还可以通过同时改变第一激光1输出的第一激光的波长和第二激光2输出的第二激光的波长来改变待产生的单光子的频率。为了便于实现对输出的单光子的频率的控制，在实现产生不同频率的单光子时，本实施例优选通过改变第二波长的激光来实现。
可选地，光波导5的径向尺寸小于原子间距离R，其中原子间距离R满足如下关系式(4)：
公式(4)中，ΔE是第二波长的激光的线宽，C6为与高激发态原子量子态有关的常数。当光波导5的径向尺寸满足这个条件时，可以保证光波导5轴向的两个高激发态的原子不能同时受激辐射，且能保证光波导5径向只有一个高激发态原子。
可选地，所述超高反射率腔镜6的反射率大于99.99％，高反射率腔镜7的反射率大于95％。
本发明在使用时，首先分别控制由第一激光器1输出的第一波长的激光(如852nm)和第二激光器2输出的第二波长的激光(如510nm)分别通过第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4耦合并从侧面进入径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围且中心填充有碱金属原子的光波导5内，从而在光波导5内部形成特定的光场分布，两束激光共同对光波导5内的碱金属原子进行激发，形成高激发态原子。基于高激发态原子的强相互作用导致的能级移动，在微米尺度的光波导内部上形成了如图1所示一维的单高激发态原子排列。光波导5在轴向两侧分别安装超高反射率腔镜6和高反射率腔镜7，并选择指定波长镀膜，从而形成对指定波长进行反射的谐振腔。通过控制环形压电陶瓷8的长度可保证超高反射率腔镜6与高反射率腔镜7之间的腔长与待产生的单光子的波长之间满足驻波腔条件，从而确保本实施例提供的基于光波导的单光子源产生装置，可以通过改变环形压电陶瓷8的长度来产生不同波长的单光子。
由高激发态原子自发辐射的光子在轴向传输过程中，将与行进路线上相邻的原子发生作用，产生相干光子。由于偶极阻塞效应，单个高激发态的原子吸收一个光子会产生受激辐射而产生两个相干光子。由于本实施例中设置了光波导5的径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围，如光波导5的径向尺寸小于原子间距离R，使得本实施例中在同一时间光波导5轴向的两个高激发态的原子不能同时受激辐射，即一个时间只有一个高激发态的原子在上一个高激发态原子自发辐射的光子的作用下受激辐射光。由于高激发态原子的向下跃迁过程产生后，一定范围内的原子不再受到偶极阻塞效应的影响，进而会对两个相干光子进行吸收，但是当一个高激发态原子在光子的作用下产生受激辐射光向下跃迁时，跃迁前后原子的能级差使得其只能吸收一个光子，因此在传输过程中始终只有一个光子存在于谐振腔内，并有可能从光波导5一侧的高反射率腔镜7输出，即上述过程相当于对光子进行了“过滤”。因此在连续输出的情况下，这种装置能够产生单光子，且产生的单光子序列具有很好的时间相干性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于光波导的单光子源产生装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、中心填充有碱金属原子的光波导(5)、超高反射率腔镜(6)、高反射率腔镜(7)和环形压电陶瓷(8)；
所述第一光纤耦合器(3)的输入端与第一激光器(1)的光信号输出端连接，第一光纤耦合器(3)的输出端与光波导(5)侧面的第一输入端连接；第二光纤耦合器(4)的输入端与第二激光器(2)的光信号输出端连接，第二光纤耦合器(4)的输出端与光波导(5)侧面的第二输入端连接；所述光波导(5)的径向尺寸小于偶极阻塞效应中两个原子相互作用的范围；超高反射率腔镜(6)设置于光波导(5)轴向的一侧，且超高反射率腔镜(6)与光波导(5)之间通过环形压电陶瓷(8)连接；高反射率腔镜(7)设置于光波导(5)轴向的另一侧；通过控制环形压电陶瓷(8)的长度可保证超高反射率腔镜(6)与高反射率腔镜(7)之间的腔长与待产生的单光子的波长之间满足驻波腔条件；超高反射率腔镜(6)和高反射率腔镜(7)上均镀有指定波长的膜，所述指定波长与待产生的单光子的波长相等；
其中，第一激光器(1)输出的第一波长的激光经第一光纤耦合器(3)进入光波导(5)及第二激光器(2)输出的第二波长的激光经第二光纤耦合器(4)进入光波导(5)后空间重合，并对光波导(5)中的碱金属原子进行激发，形成高激发态原子；基于偶极阻塞效应，在第一波长的激光和第二波长的激光的作用下，高激发态原子激发相邻碱金属原子向高激发态跃迁，此过程在光波导(5)的轴向形成一维的高激发态原子序列；在高激发态原子的连续制备过程中，高激发态原子自发辐射产生光子，自发辐射产生的光子在轴向传输过程中先后与一维的高激发态原子序列中的高激发态原子作用，形成受激辐射光子；受激辐射光子在镀有指定波长反射膜的超高反射率腔镜(6)和高反射率腔镜(7)多次反射下，从高反射率腔镜(7)连续输出指定波长的单光子序列。
2.根据权利要求1所述的基于光波导的单光子源产生装置，其特征在于，所述第一波长的激光、第二波长的激光与待产生的单光子的频率之间的关系用公式表示为：
公式(1)至公式(3)中，ER表示高激发态原子能量，Eg表示基态原子能量，表示普朗克常数，c表示光速，λ1和λ2分别表示第一波长和第二波长，Ry表示里德堡常数，n*是与高激发态原子的主量子数n和角量子数l有关的高激发态原子的有效主量子数，v表示待产生的单光子的频率。
3.根据权利要求1所述的基于光波导 的单光子源产生装置，其特征在于，所述光波导(5)的径向尺寸小于原子间距离R，其中原子间距离R满足如下公式(4)：
公式(4)中，ΔE是第二波长的激光的线宽，C6为与高激发态原子量子态有关的常数。
4.根据权利要求1所述的基于光波导的单光子源产生装置，其特征在于，所述超高反射率腔镜(6)的反射率大于99.99％，高反射率腔镜(7)的反射率大于95％。
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