CN107608159B - 基于lbo晶体的多波长宣布式单光子源产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统及方法，本发明采用光频梳技术，由单一激光光源激发载噪比好、平坦度高、载波数目多的波长间隔均匀分布的多波长子载波，由非线性系数高的LBO晶体产生纠缠光子对，波长分别为1.3μm和1.55μm，其中闲频光使用1.3μm，信号光使用1.55μm，波长处于通信波段，光纤损耗小；使用商用成熟的波分解复用器件，如阵列波导光栅分离光子，其隔离度高，插入损耗小；采用宣布式光源技术，闲频光(1.3μm)脉冲作为探测信号光(1.55μm)的定时门控信号，极大地减小了暗计数影响，有利于增加量子密钥分发系统的密钥生成率和安全传输距离。

Description

基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统及方法

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，更具体地，涉及一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统及方法。

背景技术

量子信息是量子力学和信息科学相结合产生的前沿交叉学科，主要包括量子通信和量子计算。在量子通信技术中，因为受环境影响相对较小，光子被广泛作为量子通信的载体。在基于线性光学元件的量子计算中，光子也是重要资源。

自1984年Bennett和Brassard提出首个协议(BB84)以来，基于单光子的量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)已经成为目前最有前景的技术，人们已经做了很多的实验室或者现场演示，甚至已经有公司提供了商用产品。虽然QKD具有理论上的无条件安全性，但是需要以真单光子为载体。受限于技术限制，目前大多数实验采用的还是基于强衰减激光的弱相干态准单光子源。这种准单光子源是光子数态(Fock态)的叠加，脉冲中的光子数分布满足泊松分布，

式中μ为平均光子数，n为光子数，e为自然常数。P_n(μ)的含义为弱相干光源每脉冲平均光子数为μ时，包含光子数为n的脉冲的概率。弱相干光的多光子成分(n≥2)无法抵御光子数分离(PNS)技术的攻击，将严重影响系统安全性。实际操作时人们将平均光子数降低到如0.1/脉冲，于是包含多光子的脉冲可忽略(概率为0.01)，这使得空脉冲高达0.9，严重降低了QKD的速率。

理想的单光子源是所谓的单光子枪，即一次触发只发射一个光子的量子体系。该体系是非简并的，一次只能容纳一个量子发光。目前实现单光子源主要有单分子、单原子、色心以及量子点等技术。但是这些技术都存在一些难以解决的问题，例如单分子稳定性差；单原子需要价格昂贵的激光冷却技术；色心产生的光子光谱宽，导致光子全同性差；量子点工作温度低等。

宣布式单光子源又称为预报单光子源，利用非线性效应产生一对纠缠光子，其中一个作为信号光子用于量子信息处理，同时探测另一个光子(闲频光子)来预报信号光子的到达时间。具体到量子密钥分发中，宣布式单光子源可以精确控制单光子的探测时间，极大地减少量子密钥分发系统中探测器暗计数的影响，从而增加安全通信距离。

随着技术的逐步成熟，QKD系统的发展趋势是由点到点逐渐扩展到点到多点、多点到多点的组网方式。当前方案多采用时分复用或者波分复用。其中波分复用技术使用不同波长形成多路量子信道，可以在多个用户之间实现量子密钥分发而不相互影响，因而备受关注。在QKD网络中，有必要开发一种灵活稳定的多波长单光子源以适应未来发展的需要。

多波长光源最简单的方式是采用激光器阵列。但是激光器阵列之间相互独立，体积大，性能不均匀，难以统一调制。利用光频梳效应，使用单一光源实现间隔固定的子载波，载噪比好、平坦度高、载波数目多，具有较好的前景，也有益于实现超高速的光纤通信。

发明内容

本发明提供一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，该系统实现了使用单一光源实现间隔固定的子载波。

本发明的又一目的在于提供一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统的单光子源产生方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，包括顺次连接的光频梳单元、纠缠源单元和宣布单元；所述光频梳单元包括相互连接的激光器和高Q值微腔，所述纠缠源单元包括顺次连接的第一显微物镜、LBO晶体和第二显微物镜；所述宣布单元包括顺次连接的波长解复用装置和单光子探测器阵列；所述高Q值微腔与第一显微物镜连接，第二显微物镜与波长解复用装置连接。

优选地，所述波分解复用装置为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为0.71μm附近的脉冲激光器。

优选地，微环腔的品质因数Q值大于180000。

一种基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生方法，包括以下步骤：

S1：激光器发出脉冲激光，通过微腔产生光学频率梳；

S2：光频梳经第一显微物镜汇聚入射LBO晶体，经参量下转换过程产生多波长纠缠光子对；

S3：纠缠光子对通过宣布单元的波长解复用装置进行泵浦光和杂散光被耦合光纤过滤；

S4：经过S3处理的光子对由单光子探测器阵列进行探测，当有单光子探测器响应就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，单光子输出阵列的不同端口输出不同波长的单光子，用于量子通信或者量子信息处理。

进一步地，所述高Q值微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，通过微腔的场增强效应，以级联的四波混频过程产生新的频率分量并在微腔内共振增强，频率分量间的间隔等于微腔的自由频谱范围。

进一步地，所述高Q值微腔输出的光学频率梳入射Type-I型LBO非线性晶体，生成共线非简并光子对，波长分别为1.3μm和1.55μm。

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LBO晶体产生1.3μm和1.55μm的纠缠光子对，处于通信波段，有利于使用光纤传输用于量子通信和量子信息处理；采用微腔生成的光学频率梳，载噪比高、平坦度高、载波数目多；采用宣布式光子源技术，使用闲频光作为信号光子的探测指示信号，能极大降低探测器的暗计数率，提高量子信息传输速率；本发明可在常温下运行，不需要复杂的低温控制技术；采用微腔品质因子高，因而具有极大的场增强效应，需要的泵浦激光功率低。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为光频梳的示意图；

图3为本发明在量子通信中的应用示意图；

图中各部件对应的名称：光频梳单元-1’，激光器-101，微腔-102；纠缠源单元-2’，第一显微物镜-201，LBO晶体-202，第二显微物镜-203；宣布单元-3’，波长解复用装置-301，单光子探测阵列302，单光子探测器31_1～31_n，单光子输出阵列-32_1～32_n。

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1-3所示，基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括光频梳单元-1’、纠缠源单元-2’、宣布单元-3’。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，微腔-102；激光器101为波长为0.71μm附近的激光器，用于产生脉冲激光；微腔接收模式匹配的波长，通过场增强效应的级联四波混频过程产生光频梳。所述微腔采用硅基工艺制造，具有高Q值(大于180000)，结构可以为微环或者微泡+波导。

所述纠缠源单元2’包括第一显微物镜-201，LBO晶体-202，第二显微物镜-203；第一显微物镜聚焦微腔102输出的激光到LBO晶体；LBO晶体是经过合理切割、相位匹配的，产生波长分别为1.3μm和1.55μm的纠缠光子对；第二显微物镜203收集LBO输出的纠缠光子对。

所述宣布单元3’包括波长解复用装置-301，单光子探测阵列302，单光子探测器阵列302由单光子探测器31_1～31_n组成，单光子输出阵列-32_1～32_n；第二显微物镜采集203的纠缠光子对通过单模光纤进入波长解复用装置；单模光纤同时作为滤波器过滤杂散光和未转换的0.71μm波长激光；波长解复用装置301分离不同波长的光子；其中1.3μm光子作为闲频光子进入单光子探测阵列302，输出电信号经放大作为1.55μm信号光子的探测控制信号；1.55μm光子耦合进入光纤，作为量子通信或线性光学量子计算的光源。

本发明工作时，所述激光器101发出0.71μm附近的脉冲激光，通过微腔101产生0.71μm附近的光学频率梳，产生过程可使用非线性Lugiato-Lefever方程表示

其中ψ表示腔内传输光的复振幅，|Ψ|²表示腔内光功率；α表示归一化的入射光频率失谐量消；β表示归一化二阶色散系数；F表示归一化入射光振幅；τ表示归一化传输时间；θ表示腔内角位置；归一化之后腔内光满足周期性边界(振荡)条件：ψ(τ,θ)＝ψ(τ,2π+θ)。

产生的光频梳(多波长光子源)经第一显微物镜201汇聚入射LBO晶体，经参量下转换过程产生波长分别为1.3μm和1.55μm附近的多波长纠缠光子对。纠缠光子对通过光纤耦合到波分复用单元3’的波长解复用装置301，泵浦光(710nm)和杂散光被耦合光纤过滤。纠缠光子对根据波长选择相应的输出端口，其中31_1～31_n端口输出闲频光子到单光子探测器阵列作为宣布式光源的触发信号，32_1～32_n端口输出信号光子用于量子通信或量子计算；

所述激光器101选择锁模钛宝石激光器，将中心波长为0.71μm；

所述微腔102采用硅基材料制作，可以为微环腔或者微泡腔。

所述纠缠源单元2’由第一显微物镜201、LBO晶体202和第二显微物镜203组成。LBO晶体为Type-I型相位匹配LBO晶体，根据泵浦光频梳的不同采用不同的切割。

所述宣布单元3’包括波长解复用装置301和单光子探测器阵列302，本实施例中波长解复用装置301采用阵列波导光栅，可以将不同的输入波长信号从单独的端口输出。所述单光子探测器阵列302包括第一单光子探测器-31_1，第二单光子探测器-31_2，第n单光子探测器-31_n，波分解复用装置输出口耦合到单模光纤，构成单光子输出阵列，包括第一单光子输出口-32_1，第二单光子输出口-32_2，第n单光子输出口-32_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，单光子输出阵列的不同端口输出不同波长的单光子，用于量子通信或者量子信息处理。

所述单光子探测器31_1～31_n可以选择雪崩光电二极管(APD)作为单光子探测装置；

所述单光子输出阵列可选择直接在光纤端面镀一层增透膜。

通过上述具体实施方式的说明，我们提出的一种基于LBO晶体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0.71μm附近的激光器、LBO、微腔、波分解复用装置、单光子探测器等依次连接起来，通过波分解复用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。所产生单光子源的波长在通信波段1.55μm附近，有利于使用标准单模通信光纤传输。

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LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，其特征在于，包括顺次连接的光频梳单元、纠缠源单元和宣布单元；所述光频梳单元包括相互连接的激光器和高Q值微腔，所述纠缠源单元包括顺次连接的第一显微物镜、LBO晶体和第二显微物镜；所述宣布单元包括顺次连接的波长解复用装置和单光子探测器阵列；所述高Q值微腔与第一显微物镜连接，第二显微物镜与波长解复用装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，其特征在于，所述波长解复用装置为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LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，其特征在于，所述激光器输出激光波长为0.71μm的脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统，其特征在于，微环腔品质因数Q值大于180000。

5.一种如权利要求1所述的基于LBO晶体的多波长宣布式单光子源产生系统的单光子源产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光器发出脉冲激光，通过微腔产生光学频率梳；

S2：光频梳经第一显微物镜汇聚入射LBO晶体，经参量下转换过程产生多波长纠缠光子对；

S3：纠缠光子对通过宣布单元的波长解复用装置分离，泵浦光和杂散光被耦合光纤过滤；

S4：经过S3处理的光子对由单光子探测器阵列进行探测，当有单光子探测器响应就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，单光子输出阵列的不同端口输出不同波长的单光子，用于量子通信或者量子信息处理。

6.根据权利要求 5所述的单光子源产生方法，其特征在于，所述高Q值微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，通过微腔的场增强效应，以级联的四波混频过程产生新的频率分量并在微腔内共振增强，频率分量间的间隔等于微腔的自由频谱范围。

7.根据权利要求 5所述的单光子源产生方法，其特征在于，所述高Q值微腔输出的光学频率梳入射Type-I型LBO非线性晶体，生成共线非简并光子对，波长分别为1.3μm和1.55μm。

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