CN108139647A - 双光子可调谐源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于产生双光子而不需要用户进行复杂对准或源设计的装置、系统和方法。本发明提供了可配置用于许多应用的高亮度、高能见度的双光子的可调谐源。

Description

双光子可调谐源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年10月5日提交的美国临时申请序列号62/237,436的权益，其全部公开内容包括附图通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及双光子的领域和可靠地并且以商业可行的方式生成双光子的方法，以用于各种应用，包括但不限于量子计算、量子传感和量子加密以及通信系统。
背景技术
对本发明的背景的以下讨论仅用于帮助读者理解本发明，而不是被呈递用以描述或构成本发明的现有技术。
量子理论是在20世纪早期发展的，当时经典物理学不能解释原子和亚原子系统或弱磁场的行为。在过去的十年中，量子信息科学已成为科学探索和商业发展的活跃领域。现今正在研究的许多技术和现象诸如量子密码学和量子计算都涉及对单光子(即基本的量子化光粒)的处理或检测。
虽然一次产生数百万个光子相对容易，例如灯泡每当通电时都会这样做，但可靠且一致地仅产生单光子更加具有挑战性。为了实现这一目标，已经广泛研究了使用非线性光学晶体将光子从高频率转换为较低频率，该过程称为参量下变频。在参量下变频过程中，波长λ的“泵浦”光子被下变频为两个光子，每个光子的波长都为2λ。生成的两个光子被称为“信号”光子和“闲置(idler，惰)”光子。每一个泵浦光子产生两个光子，因为系统的能量必须守恒，波长为λ的一个光子与波长为2λ的两个光子具有相同的能量。
参量下变频过程是非常低效率的过程。泵浦光子必须沿相对于(relative to，关于)晶体轴的特定轴进行线偏振，并且对于进入晶体的每十亿个光子，实际上只有一个光子可以被下变频。这种低效率使其成为用于产生少量光子的极好方法。另外，由于经下变频的信号光子和闲置光子两者恰好是在同一时刻并且从晶体中的同一点生成的，所以它们将具有相似的特性，并且通常有益于研究或实现不同的量子现象，诸如量子纠缠。经下变频的信号光子和闲置光子通常被统称为双光子或双光子对。
双光子可以以多种方式用于量子技术中。一个示例是使用双光子预示单光子的产生。由于难以预测何时会生成单光子，因此双光子对中的其中一个光子可以被分离并用于触发“预示”检测器。阳性检测预示着另一个未检测到的单光子存在于系统中。双光子也可以用来产生纠缠光子。纠缠光子涉及至少两个光子，其中每个光子的量子态依赖于另一个光子的量子态。两个相位匹配的双光子源的输出可以在偏振分束器处被组合以产生纠缠光子对。另外，当双光子对中的两个光子在各方面相似时，称为“不可区分”的条件，它们可以用于引起和研究量子干涉现象。量子干涉对许多新兴量子技术而言都是至关重要的现象。
双光子产生的早期证明利用了产生空间分离的信号光子和闲置光子发射的β-硼酸钡(β-BaB 204，下文称为“BBO”)或磷酸氧钛钾(KT1OPO4，下文称为“KTP”)晶体。在方法论上取得的两项重大进展实现了对这种方法的改进。这些生成大量双光子对的改进利用了非共线参量下变频发射的几何结构。两者都是由Kwiat等人提出并实现的(P.Kwiat、K.Mattle、H.Weinfurter和A.Zeilinger，“New High-Intensity Source ofPolarization-Entangled Photon Pairs(偏振纠缠光子对的新式高强度源)”，PhysicalReview Letters75,4337(1995)；P.Kwiat、E.Waks、A.White、I.Appelbaum和P.Eberhard，“Ultra-bright source of polarization-entangled photons(偏振纠缠光子的超亮源)”，Physical ReviewA 60,773(1999))。
最近，共线方案已经取得进展。共线参量下变频的成功归因于产生晶体结构的周期性非线性特性的晶体制造工艺。在具有大非线性系数的材料中，周期性极化的晶体内的发射可能会与非临界相位匹配的配置一起出现。这已导致双光子源亮度的极大增加(C.Kuklewicz、M.Fiorentino、G.Messin、F.Wong和J.Shapiro，“High-flux source ofpolarization-entangled photons from a periodic poled KT FIL04parametric down-converter(来自周期性极化的KTFIL04参量下变频器的偏振纠缠光子的高通量源)”，Physical ReviewA69,013807(2004))。
迄今为止，双光子的最亮源中的一部分表现为利用波导结构中的周期性极化的晶体。波导周期性极化的KTP允许比非周期性极化的非波导块状晶体KTP生成率高(或亮)49倍的对生成率(M.Fiorentino、S.Spillane、R.Beausoleil、T.Roberts、P.Battle和M.Munro，“Spontaneous parametric down-conversion in periodically poled KTP waveguidesand bulk crystals(周期性极化的KTP波导和块状晶体中的自发参量下变频)”，OpticsExpress15,7479(2007))。
随着新式工程技术和模型出现，源性能也变得更好，例如，确定最佳聚焦技术以实现更好的光纤耦合(R.Bennink、Y.Liu、D.Earl、和W.Grice，“Spatial distinguishabilityof photons produced by spontaneous parametric down-conversion(由自发参量下变频产生的光子的空间可区分性)”，Physical ReviewA 74,023802(2006))。系统设计也可以帮助提高性能，例如通过将非线性晶体封装在光学透明材料内改善了非线性晶体的安装(P.Kwiat，博士论文；“Nonclassical effects from spontaneous parametric down-conversion：adventures in quantum wonderland(来自自发参量下变频的非经典效应：量子奇境中的冒险)”。
与封装双光子源有关的专利包括于2005年5月24日授予Kumar的美国专利No.6,897,434，“All-fiber photon-pair source for quantum communications(用于量子通信的全光纤光子对源)”。Kumar描述了使用光纤中的参量荧光生成量子纠缠的双光子对的源和/或方法，光纤的色散零点接近泵浦波长的色散零点，特别是波长处于约1550nm的萨格奈克环，其中检测器位于“那个窗口(1000nm至1600nm)”。NuCrypt有限责任公司的商业产品(EPS-1000)声称实践了该专利的教导。另一个专利——Kwiat的美国专利No.6,424,665，“Ultra-bright source of polarization-entangled photons(偏振纠缠光子的超亮源)”——描述了利用多晶体几何结构中的自发参量下变频的偏振纠缠和双光子源。量子技术的新兴应用对双光子的更稳定、高效、按需且高质量的源的需求日益增长。因此，需要一种能够被容易地配置并提供给终端用户的源，以产生用于量子传感、量子密码学和量子计算领域的稳健、明亮且灵活的源。
发明内容
本发明的目的是提供用于产生双光子的系统和方法，所述双光子可用于产生纠缠光子、预示光子、按需单光子，或者可用于研究或利用量子干涉现象。如下文所述，本发明提供了一种可扩展系统，该可扩展系统具有可调谐效率、可调谐光谱输出和可调谐光学相位，无需用户进行复杂的对准或源设计。
在第一方面，本发明提供了用于生成双光子的系统/装置。这些系统包括：
非线性晶体元件，该非线性晶体元件包括第一面、平行于第一面的第二面以及垂直于第一面和第二面的第一轴；
晶体保持器，该晶体保持器被配置为机械地支撑晶体并在晶体和晶体保持器之间提供热管道；
热元件，该热元件附接到晶体保持器并且被配置为加热和/或冷却晶体保持器和非线性晶体元件；
热传感器，该热传感器可操作地连接到晶体保持器并且被配置为测量晶体保持器和/或非线性晶体元件的温度；
热控制电路，该热控制电路可操作地连接到热传感器和热元件，并且被配置为将晶体保持器的温度控制在+/-0.1摄氏度内；
晶体保持器支座(mount，固定件、支架)，该晶体保持器支座被配置为机械地支撑晶体保持器，同时将晶体保持器与其余的装置部件热隔离；
泵浦聚焦光学器件，该泵浦聚焦光学器件被配置为从偏振保持(polarization-maintaining，保偏)光纤的线偏振输出产生会聚的泵浦光束，并且提供对所产生的泵浦光束相对于第一轴的位置的平移调整，该泵浦光束沿第一轴经过第一光路到达非线性晶体元件的第一面，非线性晶体元件提供泵浦光束中的光子的子集的下变频(down-conversion，下转换)，以产生沿第一轴的经下变频的双光子光束和未经下变频的双光子光束；
包括分色反射器的光学元件，该分色反射器被配置为接收沿第一轴离开非线性晶体元件的第二面的光子，并将经下变频的双光子引导到沿第一轴的第三光路，以及将未经下变频的光子反射到沿第三轴的第四光路；以及
双光子聚焦光学器件，该双光子聚焦光学器件被配置为将经下变频的光子收集到光纤中并且提供队光纤的光轴相对于第一轴的调整。
术语“双光子”是指从空间中的同一点同时产生的两个光子。
在某些优选的实施方案中，本发明的系统和装置包括定位在介于泵浦聚焦光学器件与非线性晶体元件的第一面之间的第一光路中的相移波片。
相移波片是定位在介于泵浦聚焦光学器件与非线性晶体的第一面之间的第一光路中的可变波片。本领域技术人员理解的是，可变波片(或延迟器)是下述光学装置，该光学装置减缓沿限定的轴行进通过它的偏振光的传播。可变波片可以根据各种方法以及由本领域普通技术人员容易获知的各种材料来构造。在典型的示例中，可变波片可以由允许波片材料的折射率被电子地调整的液晶装置来构造。这种装置可以包括填充有液晶(LC)分子的溶液的透明容器(cell，槽、池、室)。容器壁的两个平行面涂有透明导电膜，以便可以在容器的两端施加电压。LC分子的定向由没有施加电压时的配向层决定。当施加交流电压时，分子将基于所施加的电压的均方根值来从其默认定向改变。因此，通过改变施加的电压可以主动控制经线偏振的光束中的相位偏移。
在某些优选的实施方案中，本发明的系统和装置可以包括偏振旋转预晶体波片，该偏振旋转预晶体波片定位在介于相移波片(如果存在的话)与非线性晶体元件的第一面之间的第一光路中，或者定位在介于泵浦聚焦光学器件(如果相移波片不存在)与非线性晶体的第一面之间的第一光路中。偏振旋转预晶体波片可以是可手动或电子旋转的半波片或可变波片。本领域技术人员理解的是，波片(或延迟器)是能够改变行进通过它的光波的偏振态的光学装置。常见类型的波片是半波片。当半波片的偏振轴相对于光束的偏振轴旋转θ°时，在半波片之后的光束的偏振将被旋转2θ°。波片通常由双折射材料诸如石英或云母构成。可以通过手动机械件或通过使用电动机和致动器来旋转波片。偏振旋转预晶体波片也可以是电子可变波片，其中，可变波片的电子控制使得波片可以被控制为“开”或“关”。当配置为“开”配置时，电子可变波片表现为固定半波片并产生偏振旋转。当配置为“关”配置时，电子可变波片不产生光束的任何偏振旋转。在优选的实施方案中，偏振旋转预晶体波片是手动配置的半波片，以修改泵浦光束的偏振态，从而改变系统产生经下变频的双光子的效率。
在优选的实施方案中，泵浦聚焦光学器件从自偏振保持单模光纤的端部射出的光子产生会聚光束。泵浦聚焦光学器件定位有平移支座，该平移支座允许所产生的光束的位置与第一轴共线并聚焦在非线性晶体元件的长度的附近或中心。在制造期间一旦对准，平移支座可能会被“锁定”，使得不需要终端用户进行调整。
在某些实施方案中，本发明的系统和装置可以包括定位在非线性晶体元件和泵浦聚焦光学器件之间的、在第一光路中的滤光器。当其他元件存在于非线性晶体元件和泵浦聚焦光学器件之间时，该滤光器紧挨在非线性晶体元件之前定位。该滤光器优选地被配置为去除波长与预期的泵浦波长不同的光子。例如，如果泵浦波长为405nm，则可以使用以390nm为中心的40nm带宽陷波滤光器来防止由荧光或谐波生成产生的不需要的光子到达非线性晶体元件。
本发明的非线性晶体元件可以由本领域已知的各种材料制成，包括但不限于LBO、CLBO、BBO、KTP、KDP、AGS、AGSE、SBN、BSO、L1O3和LiNbOs。非线性晶体元件被选择以使通过晶体矩阵的光子中的一部分产生0型、I类型或II型下变频。非线性晶体将较高能量的光子转换成较低能量的光子对，根据能量守恒定律，该光子对具有与原始光子的能量和动量相等的组合能量和动量，该光子对在频域中是相位匹配的，并且该光子对具有相关的偏振。一定低比例的光子对中的自发参量下变频(SPDC)在随机时间产生。
非线性晶体优选灌封在折射率比非线性晶体的折射率低的灌封材料中。灌封材料用作三个目的。第一，它使晶体密封并限制对来自环境中的水的吸收。第二，它提供对晶体的机械保持力，该机械保持力维持晶体的位置，同时还抑制机械冲击传递到晶体。第三，它提供非线性晶体元件和晶体保持器之间的热通道。为了满足所有这些目的，灌封材料应具有在非线性晶体和晶体保持器之间的不小于0.1mm且不大于2mm的厚度。合适的材料在期望波长下优选地是光学透明的。合适的材料包括硅酮基橡胶，诸如NuSil LS-6941和LS-6140、 Silicone Elastomer(Dow Corning)以及 Solar 2202(Wacker)。
在优选的实施方案中，在离开非线性晶体的第二面之后，光子可以被分色镜分成沿第一路径的经下变频的双光子和沿第二光路的未经下变频的光子。
在某些优选的实施方案中，再循环聚焦光学器件被配置为收集沿第二光路被引导到光纤中的未经下变频的光子并且提供对光纤的光轴相对于第二轴的调整。收集这些未经下变频的光子的目的是为了使它们可用于泵送另外的非线性晶体中的可能的再利用。
在某些优选的实施方案中，离开分色镜的未经下变频光子行进通过位于分色镜和再循环聚焦光学器件之间的偏振旋转再循环波片。该偏振旋转再循环波片可以是半波片或电子可变波片。在优选的实施方案中，偏振旋转再循环波片是手动配置的半波片，以撤销(reverse)由偏振旋转预晶体波片对泵浦光束光子进行的偏振修改。
因为下变频的效率低，所以再循环的泵浦光束中的强度损失很少。“经再循环的”泵浦光束可以被提供给第二装置，该第二装置还可以向第三装置提供“经再循环的”泵浦光束，该第三装置可以向第四装置提供“经再循环的”泵浦光束，等等。这允许了本文描述的系统的可扩展性，意味着一个或多个装置可以被提供作为链式阵列，该一个或多个装置全部都从第一装置处的单光子源接收初始“泵浦”，并且链中的其他装置通过从系列中的前一装置收集的经再循环的未经下变频的光子来链接到该单光子源。
此外，如在下文中另外详细描述的，通过单独地调整从dev1到devn(其中，dev1是装置1，并且devn是系列中的第n个或最后一个装置)的每个装置中的泵浦光束相对于第一轴的偏振，可以改变系列中的每个装置产生经下变频的双光子的效率，以使来自每个装置的双光子输出大致相同。
此外，可以相对于进入dev1的原始泵浦光束来调整进入devn的经再循环的泵浦光束的相位，以在由dev1和由devn产生的双光子之间产生相位差。
在某些实施方案中，本发明的系统和装置可以包括定位在分色镜和双光子聚焦光学器件之间的倾斜窗。该倾斜窗引入光束移位，该光束位移可以补偿由倾斜的分色镜的厚度引入的任何光束移位。在优选的实施方案中，倾斜窗会准确地移置经下变频的光子，使得它们在移位之后与第一轴共线。
在某些实施方案中，本发明的系统和装置可以包括定位在分色镜和双光子聚焦光学器件之间的双光子滤光器。当分色镜和双光子聚焦光学器件之间存在其他部件时，过滤器紧接在双光子聚焦光学器件之前定位。在优选的实施方案中，滤光器是780nm长通滤光器，其传输波长在780nm以上的双光子，同时反射或吸收较短波长的光子。
附图说明
在参照附图考虑本发明的以下描述时，本发明的上述和其他特征对于本发明所属领域的技术人员而言将变得明显。根据以下详细描述、附图和权利要求，本发明的其他实施方案将变得明显。
图1描述了用于机械地支撑和热控制非线性晶体的示例性系统的设计中的部件的分解图。
图2描述了用于机械地支撑和热控制非线性晶体的示例性系统的设计中的部件的折叠图。
图3描述了用于生成双光子的示例性系统的设计的示意图。
图4描述了用于生成双光子的示例性系统的设计的示意图，该系统结合了可选的相移波片、可选的偏振旋转预晶体波片、可选的光学滤光器、可选的偏振旋转再循环波片、可选的再循环聚焦光学器件、可选的倾斜窗和可选的细化光学滤光器。
图5描述了用于生成双光子的系统的一个子组件——在本文中称为“源侧”——的示例性对准。
图6描述了用于生成双光子的系统的第二子组件——在本文中称为“接收器侧”——的示例性对准。
图7描述了用于生成由相同泵浦光束激发的双光子对的示例性阵列。在所描述的示例中，两个系统的输出被组合，以便产生处于可选择的“贝尔态”的量子纠缠光子。
图8是示出了通过非线性晶体中的泵浦光子的下变频生成的信号光子和闲置光子的波长是如何依赖于晶体的温度的曲线图。可以看到晶体温度的升高引起信号光子的波长的增加，同时引起闲置光子的波长的类似减小。在某一特定的晶体温度下，信号光子和闲置光子将具有相同的波长。特定晶体将产生这种光子的精确温度基于系统内的晶体及其设备的方面而变化。此外，如本文所讨论的，晶体的性质可随时间变化。因此该曲线图是说明性的并且是一个示例。
具体实施方式
图1描述了用于机械地保持和热控制非线性晶体元件32的系统的设计的示意图。该系统包括非线性晶体元件32，该非线性晶体元件优选地使用灌封材料309附接到晶体保持器301。灌封材料309确保晶体相对于晶体保持器301被牢固地保持在水平位置，同时还为可能从外部环境传递到非线性晶体元件32的任何机械冲击提供一定水平的减震。另外，灌封材料309确保非线性晶体元件32的表面的大部分被密封以防止水侵入。非线性晶体中的吸水可能导致晶体受损或者晶体光学性质随着时间的推移发生变化。此外，灌封材料309为热量传递至非线性晶体元件32和从该非线性晶体元件传递热量提供热路径。因为灌封材料比导体更倾向于是绝缘体，所以非线性晶体元件32和晶体保持器301之间的灌封材料的厚度优选地相对小。优选地，灌封材料厚度在0.01mm至2.0mm的范围内，并且最优选地为0.5mm。晶体保持器301由导热材料诸如铜或铝制成。
晶体保持器301具有热元件305，该热元件优选地利用热元件环氧树脂304附接到晶体保持器301的底部。热元件环氧树脂304可以是热膏诸如氧化铝膏，或者是热环氧树脂诸如氧化铝环氧树脂。热元件305可以是加热元件、冷却元件或者加热元件和冷却元件两者。本领域的普通技术人员会认识到，存在许多加热和/或冷却装置的方式。在优选的实施方案中，珀耳帖元件(peltier element)被用作热元件305以根据需要加热或冷却组件。
改变非线性晶体的温度将导致晶体的折射率的变化，并且随后将更改所产生的共线的信号光子和闲置光子的波长(M.M.Fejer、G.A.Magel、D.H.Jundt、和RLByer，“Quasiphase-matched second harmonic generation：tuning and tolerances(准相位匹配的二次谐波生成：调谐和容差)”，IEEE J.Quantum Electron.28,2631-2654(1992))。使非线性晶体的温度升高引起信号光子和闲置光子的波长变化。然而，对于每种晶体，确实存在使信号光子和闲置光子具有相同的波长的特定温度。我们称该温度为用于双光子源的“运行温度”。
在为本文的应用生成光子时，通常期望所产生的信号光子和闲置光子具有相同的波长。产生具有相同的波长的光子是使光子彼此“不可区分”的关键要求。两个光子之间的不可区分性是通常被希望用以观察和利用某些量子现象的量子特征。为了以有效的方式实现相同的信号波长和闲置波长，非常需要对非线性晶体元件32的温度进行非常精确的调节。
通过改变非线性晶体的温度，所产生的信号光子和闲置光子的波长可以如图8中的示例性曲线图所示的那样进行变化。如图8中可见的，存在能够产生相同波长的信号光子和闲置光子的晶体温度。使用本文公开的优选构造和材料以及加热/冷却元件和传感元件，我们已经发现，该温度被最佳地保持为超过0.1摄氏度，以使光子不可区分并且适用于许多量子计算、量子密码学和量子传感应用。为了实现这个目标，需要温度控制系统来控制晶体支座310的温度。具有比0.1摄氏度高的灵敏度、最优选具有0.01摄氏度的灵敏度的热传感器对于准确地保持期望的晶体温度是最佳的。
此外，如本文所讨论的，由特定设备中的特定晶体产生的波长可以变化，并且如所指出的那样，该波长还可以在温度波动时随着时间的推移而变化。因此，图8被理解为特定设备中的特定晶体的一个示例。如所阐明的，使用本文公开的系统使得用户能够调谐该装置以在装置和系统中产生期望的(相同或其他类型的)波长，并且在给定其条件的情况下调谐和调整该特定装置，使得其有效且可靠地产生所需的波长。
为此，晶体保持器301具有附接到晶体保持器301的侧面的热传感器306，优选地具有热传感器环氧树脂311。热传感器环氧树脂311可以是热膏诸如氧化铝膏，或者是热环氧树脂诸如氧化铝环氧树脂。热传感器306测量晶体保持器301的温度，并且由此测量非线性晶体元件32的近似温度。在优选的实施方案中，热传感器306对低至0.01摄氏度的温度变化敏感。热传感器306可以是热电偶传感器或电阻式传感器。在优选的实施方案中，非线性晶体元件32、晶体保持器301、热传感器306和热元件305安装在隔热的顶部绝热罩(thermaljacket，保热罩)302和底部绝热罩303之间。在优选的实施方案中，顶部绝热罩302和底部绝热罩303由绝热但机械刚性的材料诸如PEEK(聚醚醚酮)塑料制成。在优选的实施方案中，顶部绝热罩302和底部绝热罩303将非线性晶体元件32、晶体保持器301、热传感器306和热元件305与周围环境热隔离，同时将其刚性地装配在适当位置，使得这些元件可以适当地对准并且彼此保持关联以及与本文所述的系统的其他部件保持关联。
在优选的实施方案中，非线性晶体元件32、晶体保持器301、热传感器306、热元件305、顶部绝热罩302和底部绝热罩303安装在机械刚性的顶部固定支座307和底部固定支座308之间。在优选的实施方案中，顶部固定支座307和底部固定支座308由机械刚性材料诸如铝或PEEK(聚醚醚酮)塑料制成。顶部固定支座307和底部固定支座308将组件刚性地保持在一起，并确保保持非线性晶体元件32的光学对准。在优选的实施方案中，这通过底部固定支座308的内侧和外侧上的两组特征部件来实现。内侧的特征部件组创建了轨道，晶体保持器301、顶部绝热罩302和底部绝热罩303沿着该轨道被引导到适当位置。当顶部固定支座307被定位在这三个元件的顶部时，组件变得刚性固定，并致使组件内的非线性晶体元件32的精确且可重复的对准。底部固定支座308上的外部特征部件组创建了轨道，该轨道可用于将外部光学部件和机械支座附接到并且精确地对准到晶体支座310和非线性晶体元件32。
图2示出了用于晶体支座310的设计的折叠视图。晶体支座310由非线性晶体元件32、晶体保持器301、热传感器306、热传感器环氧树脂311、热元件305、热元件环氧树脂304、顶部绝热罩302、底部绝热罩303、顶部固定支座307和底部固定支座308组成。
图3描述了用于生成双光子的系统10的设计的示意图。该系统包括源侧和接收器侧。源侧包括通过光缆传送到系统的激光泵浦11。在优选的实施方案中，光纤电缆是单模偏振保持光纤，但也可以是多模或单模非偏振保持光纤。光纤通过光纤聚焦装置14连接到系统。聚焦装置包括一个或多个透镜以使光纤输出聚焦。聚焦装置14安装有第一平移支座17。第一平移支座17允许光纤输出的x平移、y平移、倒翻、倾斜和焦点位置被精确地调整。在优选的实施方案中，通过支座中的对准螺钉进行调整，并且一旦所有对准完成，可以用一个或多个固定螺钉锁定该调整。
激光继续通过光纤聚焦装置14并会聚到非线性晶体32上和非线性晶体中。非线性晶体具有第一面33和第二面34。
在优选的实施方案中，非线性晶体32容纳在晶体支座310中，使得其沿光轴的对准精确且稳定，优选地在0.1°内。如本领域的普通技术人员将容易地理解的那样，非线性晶体32可以由下述组成：由块状非线性材料构成的单晶体(即BBO、KTP等)；周期性极化的晶体(即，周期性极化的KTP(或“PPKTP”))；或波导结构的晶体。这些晶体可以被制造以产生0型、I型或II型下变频。在这样的实施方案中，入射激光的偏振将与晶体的轴一致以致使双光子产生。
非线性晶体32安装在晶体支座310中，晶体支座使晶体32相对于光轴刚性地定位。晶体将输出光子，这些光子包括来自非线性晶体32的激光光子波长输出以及经下变频的输出，该经下变频的输出通常将是激光的波长的两倍。
在优选的实施方案中，热元件305、热传感器306和热控制电路91允许非线性晶体元件32的温度升高或下降，以将优选地介于5摄氏度至90摄氏度之间的温度维持在优选地为0.1摄氏度的高容差内。非线性晶体元件32的加热或冷却允许经下变频的光子的波长在30纳米到40纳米的范围上被调谐。热控制电路91可以是能够实现比例-积分-微分或PID控制回路的任何电路。如本领域普通技术人员会容易地理解的那样，存在可用于实现PID控制回路的许多基于数字和模拟的电路和产品，诸如可从Omega Engineering(欧米伽工程公司)获得的那些电路和产品。
优选地，热控制电路91和晶体支座310的设计应当使得传送到晶体支座310的加热或冷却非常精确，并且不会超出或低于目标温度。照此，晶体支座310的热质量和热容量以及热控制电路91的响应时间应该彼此一致以避免在最终控制温度中的“振铃(ringing)”或“摆动(hunting)”。此外，晶体支座310应与组件的其余部分热隔离，但同时应允许任何加热或冷却能量与非线性晶体元件32的紧密热连通。这些预设极大地影响了晶体支座310的机械设计和热设计。
在优选的实施方案中，来自非线性晶体32的输出从第二面34离开并被引导朝向分色镜38。分色镜38将剩余的激光泵浦光束与经下变频的光子分开。激光泵浦光束从分色镜38沿单独的光路进行反射，产生再循环光束80。
经下变频的光子穿过分色镜38到达双光子聚焦元件53。双光子聚焦元件53由相对于光纤连接器安装的一个或多个透镜组成并且安装在双光子五轴对准支座56中。双光子聚焦元件53使光朝向所附接的光纤连接器会聚并聚焦，从而产生双光子束59，该双光子束可以被有效地耦合到所附接的单模或多模光纤中。
第一平移支座17和晶体支座310被刚性地保持在适当位置。在优选的实施方案中，这部分地通过由连接在第一平移支座17和晶体支座310之间的不同点处的第一组四根杆构成的保持架(cage)设计来实现，该第一组四根杆中的一个杆以19指示。
晶体支座310、分色镜38和双光子五轴对准支座56被刚性地保持在适当位置。在优选的实施方案中，这部分地通过由连接在晶体安装架310和双光子5轴对准支座56之间的不同点处的第二组四根杆构成的保持架设计来实现，该第二组四根杆中的一个杆以39指示。
最优选地，第一保持架和第二保持架还通过将部件刚性安装到板86而被保持在适当位置。不透光的壳体包围整个组件并且安装到板86。
图4描述了用于生成双光子的结合有可选部件的系统的设计的示意图。
该系统包括源侧和接收器侧。源侧包括通过光纤电缆传送到系统的激光泵浦11。光纤通过光纤聚焦装置14连接到系统。聚焦装置14安装有第一平移支座17。第一平移支座17允许光纤输出的x平移、y平移、倒翻、倾斜和焦点位置被精确地调整。
激光被引导通过可选的相移波片18。在图4所示的优选实施方案中，可选的相移波片18被定位成紧接在第一平移支座17之后，然而可选的相移波片18可以置于第一平移支座17和非线性晶体32之间的任何位置。
在优选的实施方案中，可选的相移波片18是可变波片，优选地是由液晶装置构造的电子可变波片。可选的相移波片由具有可以被电调整的偏振相关的折射率的材料(例如液晶)制成。可选的相移波片被定向成使得其光学快轴与激光泵浦11的偏振轴对准。
在优选的实施方案中，可选的相移波片可以被电子地调整以向进入的泵浦光束引入变化的相移。这种布置允许关于其他系统控制泵浦光束的相位，当来自多个系统的输出被组合时，这是很有用的过程。
激光继续通过可选的相移波片18到达可选的偏振旋转预晶体波片20。可选的偏振旋转预晶体波片20可以被手动配置(即通过手动旋转)或电子配置(即通过液晶介质或其他光学相位操纵介质)。可选的偏振旋转预晶体波片允许对泵浦光束的偏振进行修改，其结果是降低了非线性晶体32的下变频效率成效。
可选的偏振旋转预晶体波片20可以置于第一平移支座17和非线性晶体32之间的任何位置。
激光继续通过可选的偏振旋转预晶体波片20，然后被引导通过可选的光学滤光器29，该可选的光学滤光器消除不处于激光的目标波长的任何光。本领域的普通技术人员会容易地理解，可选的光学滤光器29可以是激光陷波滤光器、带通滤光器或者长通滤光器或短通滤光器。优选地，可选的光学滤光器29是激光陷波滤光器。
激光继续通过可选的光学滤光器29并会聚到非线性晶体32上和非线性晶体中。非线性晶体具有第一面33和第二面34。
在优选的实施方案中，非线性晶体32容纳在晶体支座310中，使得其沿光轴的对准精确到0.1°内并且稳定。
非线性晶体32安装在晶体支座310中，晶体支座使晶体32相对于光轴刚性地定位。晶体将输出光子，这些光子包括来自非线性晶体32的激光光子波长输出以及经下变频的输出两者，该经下变频的输出通常是激光的波长的两倍。
在优选的实施方案中，热元件305、热传感器306和热控制电路91允许非线性晶体元件32的温度升高或降低，以将介于5摄氏度至90摄氏度之间的温度维持在优选地为0.1摄氏度内。非线性晶体元件32的加热或冷却允许经下变频的光子的波长在30纳米到40纳米的范围上被调谐。如本领域普通技术人员会容易地理解的那样，热控制电路91可以是能够实现比例-积分-微分或PID控制回路的任何电路，并且优选地是满足针对优选的实施方案所讨论的限制的电路。
在优选的实施方案中，来自非线性晶体32的输出从第二面34离开并被引导朝向分色镜38。分色镜38将剩余的激光泵浦光束与经下变频的光子分开。如下文中进一步讨论的，激光泵浦光束从分色镜38反射到系统的其他部分上。
经下变频的光子穿过分色镜38并被引导到可选的倾斜窗41。可选的倾斜窗41优选地被设计为补偿由分色镜引入的光轴的轴向偏移，从而产生经补偿的经下变频的光子。在优选的实施方案中，倾斜窗由石英构成，然而该倾斜窗可以是由任何各种各样的材料构成，包括但不限于蓝宝石、BK7和氟化镁。
可选地，在优选的实施方案中，可选的倾斜窗41也可以由与非线性晶体32相比具有相反的双折射性能的材料构成。该材料会补偿晶体中的任何色散并且可以由下述材料构成，这样的材料包括KTP、LiTaO3和YVO4，但最优选地是由KTP构成。
在优选的实施方案中，穿过可选的倾斜窗的经下变频的光子被引导到可选的细化光学滤光器44。可选的细化光学滤光器44由一个或多个光学滤光器组成并且从信号去除任何剩余的激光或其他不需要的光和噪声。可选的细化光学滤光器44可以是激光陷波滤光器、带通滤光器或者长通滤光器或短通滤光器，但最优选地是长通滤光器。
经下变频的光子穿过可选的细化光学滤光器44到达双光子聚焦元件53。双光子聚焦元件53由相对于光纤连接器安装的一个或多个透镜组成并且安装在双光子五轴对准支座56中。双光子聚焦元件53使光朝向所附接的光纤连接器会聚并聚焦，从而形成双光子束59，该双光子束可以被有效地耦合到所附接的单模或多模光纤中。
在优选的实施方案中，离开非线性晶体32的泵浦光束从第二面34离开，被引导朝向分色镜38，并且沿着单独的光路远离经下变频的光子反射。激光泵浦光束光子被分色镜反射以产生再循环光束80。再循环光束80被引导朝向可选的偏振旋转再循环波片71。可选的偏振旋转再循环波片71根据激光波长被优选地选择，并且可以用于撤销在可选的偏振旋转预晶体波片23中产生的任何偏振旋转的效应。
再循环光束80穿过可选的偏振旋转再循环波片71并被引导到可选的再循环光学聚焦组件74中。可选的再循环光学聚焦组件74由一个或多个光学透镜组成。可选的再循环光学聚焦组件74优选地安装在可选的第三平移支座77中，可选的第三平移支座允许焦点被仔细地调整。在优选的实施方案中，焦点的x平移、y平移、倒翻、倾斜和距离都可以通过支座中的六个对准螺钉来调整，并且可以通过固定螺钉来将最终对准锁定到适当位置。
可选的再循环光学聚焦部件74允许再循环光束80被聚焦并射入光纤。然后包含再循环光束80的光纤可以可选地用于第二次激发非线性晶体32，从而产生有益于各种形式的量子纠缠的时间不确定性，或者包含再循环光束的光纤可选地可以被引导到第二系统以产生另外的光子，在这种情况下，该过程可以重复多次，从而极大地扩展了激光源的应用。在其他实施方案中，再循环光束80可以用于监测该系统和一个或多个其他系统之间的相位关系。
第一平移支座17、可选的相移波片18、可选的偏振旋转预晶体波片20、可选的光学滤光器29和晶体支座310被刚性地保持在适当位置。在优选的实施方案中，这部分地通过由连接在第一平移支座17和晶体支座310之间的不同点处的第一组四根杆构成的保持架设计来实现，该第一组四根杆中的一根杆以19指示。
晶体支座310、分色镜38、可选的倾斜窗41、可选的细化光学滤光器44和双光子五轴对准安装架56被刚性地保持在适当位置。在优选的实施方案中，这部分地通过由连接在晶体安装架310和双光子五轴对准支座56之间的不同点处的第二组四根杆构成的保持架设计来实现，该第二组四根杆中的一个杆以39指示。
可选的偏振旋转再循环波片71和可选的第三平移支座77也被刚性地保持在适当位置。在优选的实施方案中，这部分地通过由第三组四根杆构成的保持架设计来实现，该第三组四根杆中的一根杆以78指示，该第三组四根杆横越在第二组四根杆和可选的第三平移支座77之间，第二组四根杆中的一根杆以39指示。
最优选地，第一保持架、第二保持架和第三保持架还通过将部件刚性地安装到板86而被保持在适当位置。不透光的壳体包围整个组件并且安装到板86。
图5和图6描述了本发明的与使产生双光子的系统10对准的方式有关的一个方面。
在优选的实施方案中，通过三阶段过程来实现系统10的对准。
对准的第一阶段在图5中描述。在优选的实施方案中，源侧子组件90包括光纤聚焦装置14、第一平移支座17、一组四根杆(其中一根杆以19指示)以及光束分析器(profiler)93，该光束分析器93被布置成使得其检测表面处于精确焦距处，在该精确焦距处，在非线性晶体32的第一面33和第二面34之间的中点将位于经组装的系统10中。
可选地，如上所述，第一子组件可以包括下述中的一个或多个：可选的相移波片18、可选的光学滤光器20和/或可选的偏振旋转预晶体波片29。
来自光纤激光器96的将用于泵浦光束11的相同波长的光被引导到源侧子组件90的光纤聚焦装置14的表面上的相同位置处，以产生由光束分析器93检测的聚焦光点。如由本领域普通技术人员容易地理解的那样，光束分析器93然后可以确定斑点的位置、直径、光学功率和散度，如部分示意性地图示为光束分析器输出100。
虽然在图5中示意性地示出了光束分析器输出100，但是本领域的普通技术人员将容易地理解，光束分析器可以并且确实以各种格式输出数据，以便如上所述地提供比位置和直径多的信息。示意图被提供用于图示，并不意在表达可用的全部输出，也不以任何方式限制本发明的教导。
然后，在对平移支座17进行对准调整，并且该对准调整是用于使来自光纤激光器96的光准确地聚焦时，监测光束分析器93的输出，使得当光束分析器93被移除并且由其支座310中的非线性晶体32取代时，光将通过光纤聚焦装置14、可选的相移预晶体变量18(如果存在的话)、可选的光学滤光器20(如果存在的话)和可选的偏振旋转预晶体波片29(如果存在的话)被最大程度地聚焦在待使用的焦距处。
对准的第二阶段在图6中示出。在优选的实施方案中，接收器侧子组件110包括光束分析器93、分色镜38、双光子五轴对准支座56和一组四根杆，该一组四根杆中的一根杆以39指示。光束分析器93被布置成使得其检测表面处于精确焦距处，在该精确焦距下，非线性晶体32的第一面33和第二面34之间的中点将位于经组装的系统10中。
可选地，如上所述，接收器侧子组件可以包括下述中的一个或多个：再循环光学聚焦组件74、平移支座77、倾斜窗41和细化光学滤光器44。
来自光纤激光器112的与预期用于下变频光束59的波长相同的光被引导到接收器侧子组件110的双光子聚焦装置53的表面上的相同位置处，以产生由光束分析器93检测的聚焦光点。如本领域普通技术人员容易地理解的那样，光束分析器93然后可以确定斑点的位置、直径、光学功率和散度，如部分示意性地图示为光束分析器输出102。
然后，在对平移支座56进行对准调整，并且该对准调整是用于使来自光纤激光器112的光准确地聚焦时，监测光束分析器93的输出，使得当光束分析器93被移除并且由其支座310中的非线性晶体32取代时，光将通过双光子聚焦装置53、可选的细化光学滤光器44(如果存在的话)、可选的倾斜窗41(如果存在的话)和分色镜38被最大程度地聚焦在待使用的焦距处。
双光子聚焦元件53被对准。双光子聚焦元件调谐光112被引入。双光子聚焦元件调谐光112是来自下述激光的光，该激光的波长等于待产生的经下变频的光子的波长，该双光子聚焦元件调谐光被引入到将在最终组件中射出经下变频的光子的双光子聚焦元件53上的斑点处。该光将穿过经组装的元件，并且一部分最终将到达光束分析器93。如先前所解释的，光束分析器将产生并显示关于斑点的位置、直径、光学功率和散度的数据，如部分示意性地图示为光束分析器输出102。可以对双光子五轴对准支座56进行调整，以使光束聚焦到光束分析器93和第二子组件110的光轴上。
如果存在可选的再循环光学聚焦组件74和可选的平移支座77，则来自光纤激光器116的与再循环光束80具有相同波长的光被引导到接收器侧子组件110的再循环光学聚焦组件74的表面上的相同位置处，以产生由光束分析器93检测的聚焦光点。如本领域普通技术人员容易地理解的那样，光束分析器93然后可以确定斑点的位置、直径、光学功率和散度，如部分示意性地图示为光束分析器输出102。
然后，在对平移支座77进行对准调整，并且该对准调整是用于使来自光纤激光116的光准确地聚焦时，监测光束分析器93的输出，使得当光束分析器93被移除并且由其支座310中的非线性晶体32取代时，光通过可选的偏振旋转再循环波片71(如果存在的话)并且从分色镜38反射，以被最大程度地聚焦在待使用的焦距处。
如先前所解释的，光束分析器将产生并显示关于斑点的位置、直径、光学功率和散度的数据，如部分示意性地图示为光束分析器输出102。可以对再循环光学聚焦组件74(如果存在的话)进行调整，以使光束聚焦到光束分析器93和接收器侧子组件110的光轴上。
然后执行对准和组装的第三阶段。光束分析器93从一个或多个子组件中移除。然后，如图3和图4所示，将包含非线性晶体32的固定支座310固定在源侧和接收器侧子组件之间，其中光束分析器93在源侧和接收器侧子组件的组装和对准期间已经。
如上所述，将泵浦波长11处的光引入系统10中并聚焦到非线性晶体32上。激光在第一面33上可见并且在x轴和y轴上平移，其中利用对平移支座17的x和y调整而不是对焦轴的调整来将焦点视觉地居中在非线性晶体的第一面33上。
然后，双光子束59和/或再循环光束80被收集到光纤中并且连接到检测器。然后可以调谐聚焦元件的x和y平移。双光子聚焦元件53的x和y平移可以通过调整双光子五轴对准支座56中的x和y平移来优化，以根据需要优化双光子收集。再循环光学聚焦组件74的x和y平移可以通过调整第三平移支座77中的x和y平移来优化，以根据需要优化再循环光束80的收集。
在优选的实施方案中，双光子束59被引导到光纤分束器，该光纤分束器将双光子分到两根单独的光纤中。然后将两根单独的光纤引导到两个单光子计数检测器。然后用符合计数器监测该检测器的输出。符合计数器可以确定光子已在何时同时到达这两个检测器处。然后可以监测两个检测器输出的符合率，并通过对双光子五轴对准支座56的x和y平移调整来使两个检测器输出的符合率最大化。
最优选地，当完全对准时，通过每个支座的对准螺钉上的固定螺钉将支座锁定到适当位置。然后将用于组件的壳体定位在适当位置并优选地用螺钉附接到系统底板86上。系统底板86和壳体用于保护光学器件并保持内部的对准，同时还避免将不希望的外部光收集到光学器件中。
使用本文公开的系统和方法允许利用30mm长PPKTP晶体以高达每mW泵浦功率每秒100万对的速率产生双光子。使用本文公开的系统和方法允许单个系统产生可以耦合到单根光纤中的双光子。所产生的双光子的光谱可以通过调整非线性晶体元件32的被保持的温度来调谐。
如图7中示意性示出的，用于生成双光子的两个系统可以从相同的泵浦光束来驱动以产生处于量子纠缠态的光子的组合输出。在这样的实施方案中，根据本发明组装第一系统210。如前所述，该系统可以是如图3所示的没有可选元件的系统10，或者可以是具有如图4所示的可选元件中的一个或多个元件的系统。最优选地，系统210是如图4所示的系统。类似地，在这样的实施方案中，还利用第二系统200。系统200可以是如图3所示的没有可选元件的系统10，或者可以是具有如图4所示的可选元件中的一个或多个元件的系统。最优选地，系统200是如图4所示的系统。
在优选的实施方案中，泵浦激光器203通过偏振保持光纤206将光提供给偏振保持光纤分路器209。光纤分路器209产生泵浦光束的两个副本，每一个副本都通过光纤连接到双光子生成系统210、200中的一个系统。在优选的实施方案中，系统200和210两者是相同的。最优选地，系统200和210两者都包括可选的相移波片18。最优选地，系统200和210是如图4所示的系统。
在该实施方案中，由单个单元的非线性晶体产生的双光子对会具有相反的偏振并且会被耦合到单个出口光纤中。由系统210射出的双光子会被耦合到光纤230中。由系统200射出的双光子会被耦合到光纤233中。输出光纤230和233会在2x2光纤偏振分束器236处被组合。来自光纤偏振分束器的输出光纤242和239的输出会包含可以变成任何“贝尔态”的偏振纠缠光子(输出245和248)。
为了在特定的“贝尔态”或其他量子状态下构建并保持稳定的输出，必须监测和维持两个泵浦光束的激发系统之间的相位差。为此，来自系统210和200的泵浦激光束的再循环输出被优选地耦合到单模偏振保持光纤218和224中。这些光纤将再循环输出引导到相位监测和控制系统221。在优选的实施方案中，相位监测控制系统是Mach-Zehnder干涉仪，诸如可从Thorlabs商业地获得的干涉仪，其提供有对两个系统200和210的泵浦光束之间的相位差的测量。在优选的实施方案中，来自相位监测控制系统的输出会通过电同轴电缆227被反馈到系统210(如图8所示)或系统200的可选的相移波片18中。最优选地，可选的相移波片18是可电子调整以补偿由系统200和系统210生成的光子之间的相位差的任何波动。
虽然已经足够详细地描述和例示了本发明，以便本领域技术人员制造并使用它，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，各种替代、修改和改进应是明显的。本文提供的示例是优选的实施方案的代表，是示例性的，并且不意在限制本发明的范围。
本领域技术人员将会想到其中的修改和其他用途。这些修改包含在本发明的精神内，并由权利要求的范围限定。
对于本领域技术人员而言很明显的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文公开的发明进行各种替换和修改。
说明书中提及的所有专利和出版物指示了本发明所属领域的普通技术人员的水平。所有专利和出版物在此通过引用并入本文，其程度和每个单独的出版物被具体和单独地指出通过引用并入一样。
本文中说明性地描述的发明可适当地在没有任何一个或多个元件、本文没有具体公开的一个或多个限制的情况下实践。因此，例如，在本文每一个实例中，任何术语“包括”、“基本上由......组成”和“由......组成”可以用其他两个术语中的任一个替代。已经使用的术语和表达被用作描述性的而不是限制性的术语，并且不意在使用这样的术语和表达来排除所示出和描述的特征部件或其部分的任何等同物，但要认识到，在要求保护的本发明的范围内的各种修改是可能的。因此，应理解，虽然本发明已经通过优选的实施方案和可选的特征部件被具体地公开，但是本领域技术人员可以采用本文所公开的构思的修改和变型，并且这样的修改和变型被认为是在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
其他实施例在以下权利要求书中阐述。

Claims (17)

1.一种用于生成双光子的装置，包括：
非线性晶体元件，所述非线性晶体元件包括第一面、平行于所述第一面的第二面以及垂直于所述第一面和第二面的第一轴；
晶体保持器，所述晶体保持器被配置为机械地支撑晶体并在所述晶体和所述晶体保持器之间提供热管道；
热元件，所述热元件能操作地连接到所述晶体保持器，以加热和/或冷却所述晶体保持器和所述非线性晶体元件；
热传感器，所述热传感器能操作地连接到所述晶体保持器并且被配置为测量所述晶体保持器和/或所述非线性晶体元件的温度；
热控制电路，所述热控制电路能操作地连接到所述热传感器和所述热元件，并且被配置为将所述晶体保持器的温度控制在+/-0.1摄氏度内；
晶体保持器支座，所述晶体保持器支座被配置为机械地支撑所述晶体保持器并且将所述晶体保持器与其余的装置部件热隔离；
泵浦聚焦光学器件，所述泵浦聚焦光学器件被配置为从偏振保持光纤的线偏振输出产生会聚的泵浦光束，并且提供对所产生的泵浦光束相对于所述第一轴的位置的平移调整，所述泵浦光束沿所述第一轴经过第一光路到达所述非线性晶体元件的第一面，所述非线性晶体元件提供所述泵浦光束中的光子的子集的下变频，以产生沿所述第一轴的经下变频的双光子的光束和未经下变频的光子的光束；
包括分色反射器的光学元件，所述分色反射器被配置为接收沿所述第一轴离开所述非线性晶体元件的第二面的光子，并将经下变频的双光子引导到沿所述第一轴的第三光路，以及将未经下变频的光子反射到沿第三轴的第四光路；以及
双光子聚焦光学器件，所述双光子聚焦光学器件被配置为将所述经下变频的光子收集到光纤中并且提供对所述光纤的光轴相对于所述第一轴的调整。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热元件中是热电装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热元件中是电阻加热器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热控制电路基于PID回路。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括定位在介于光子源与所述非线性晶体元件的所述第一面之间的所述第一光路中的半波片，所述半波片被配置为可调整地修改所述泵浦光束的偏振态，从而改变系统产生经下变频的光子的效率。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置，还包括定位在介于光子源与所述非线性晶体元件的所述第一面之间的所述第一光路中的光学延迟器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光学延迟器是电子可变波片，所述电子可变波片被配置为允许仅修改偏振的泵浦光束的光学相位，从而改变所述经下变频的光子的光学相位。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述光学延迟器定位在所述光子源和半波片之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，还包括定位在介于光子源与所述非线性晶体元件之间的所述第一光路中的滤光器，所述滤光器被配置为使移除非泵浦波长的光以阻止所述非泵浦波长的光到达所述晶体。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的装置，其中，所述非线性晶体元件被灌封在折射率比所述非线性晶体的折射率低的灌封材料中。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述灌封材料是硅酮基橡胶。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的装置，其中，所述非线性晶体元件产生0型下变频。
13.根据权利要求1至11中的一项所述的装置，其中，所述非线性晶体元件产生I型下变频。
14.根据权利要求1至11中的一项所述的装置，其中，所述非线性晶体元件产生II型下变频。
15.根据权利要求1至14中的一项所述的装置，其中，所述第四光路包括被配置为将所述未经下变频的光子聚焦到第二光纤的端部上的光学元件。
16.一种阵列，包括多个根据权利要求1至15中的一项所述的装置，其中，来自所述阵列中的第一装置的所述第四光路的未经下变频的光子被用作所述阵列中的第二装置中的光子源。
17.根据权利要求1至15中的一项所述的装置，其中，来自所述第四光路的未经下变频的光子与所述泵浦光束组合，并且被第二次沿着所述第一光路引导。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111510225A (zh) * 2020-03-20 2020-08-07 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统
US11586092B2 (en) 2015-10-05 2023-02-21 Qubitekk, Inc. Tunable source bi-photons

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017223197B3 (de) 2017-12-19 2019-02-07 Humboldt-Universität Zu Berlin Verfahren und Einrichtung zur Frequenzumsetzung
EP3572870B1 (en) * 2018-05-24 2022-01-26 Österreichische Akademie der Wissenschaften Method for entangled photon distribution with space-division de-multiplexing
EP3588184B1 (de) * 2018-06-28 2022-06-01 TRUMPF Schweiz AG Heizvorrichtung für einen optischen kristall
CA3012946A1 (en) * 2018-07-31 2020-01-31 Oz Optics Ltd. Fiber-based broadband polarization-entangled photon source
CA3120675A1 (en) * 2018-11-20 2020-05-28 Tanner CROWDER A low brightness, entanglement-based, semi-passive private communication protocol
DE102019003940A1 (de) 2019-06-06 2020-12-10 BriIIux GmbH & Co. KG Konservierungsmittelfreie Pigmentpaste
CN112130396B (zh) * 2020-09-07 2021-06-22 济南量子技术研究院 基于ppktp晶体的多模接收小型化纠缠源系统
CN114755870B (zh) * 2022-03-30 2023-04-07 电子科技大学 一种频率片纠缠双光子源
KR102441594B1 (ko) * 2022-04-04 2022-09-06 국방과학연구소 배열식 0형 ppKTP 크리스탈을 이용한 다중 파장 결합 기반 고효율 양자 광원 및 얽힘 광자쌍 생성 방법
CN116609984B (zh) * 2023-07-20 2023-09-15 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种用于量子光纤陀螺的反馈调节式量子光源

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000089006A (ja) * 1998-09-11 2000-03-31 Mitsubishi Electric Corp 固体光学素子マウントセル
WO2005085946A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-15 The University Of Melbourne A photon source
JP2007101674A (ja) * 2005-09-30 2007-04-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 量子相関光子対発生装置および量子もつれ光子対発生装置
CN201181808Y (zh) * 2007-11-30 2009-01-14 西安电子科技大学 二极管泵浦固体激光器中晶体热管热沉制冷装置
CN101681080A (zh) * 2008-01-23 2010-03-24 松下电器产业株式会社 波长转换激光器以及图像显示装置
CN102654716A (zh) * 2012-04-18 2012-09-05 苏州广泰量子科技有限公司 一种纠缠光子源
CN103149773A (zh) * 2013-03-14 2013-06-12 山西大学 连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置和方法
CN104752944A (zh) * 2015-04-07 2015-07-01 中国科学技术大学 一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3328723A (en) * 1965-12-23 1967-06-27 Bell Telephone Labor Inc Optical frequency parametric oscillators and modulators with temperature and electrical control
US4181899A (en) * 1977-12-05 1980-01-01 General Electric Company High power optical second harmonic generation in non-linear crystals
JP3415407B2 (ja) * 1997-09-26 2003-06-09 富士写真フイルム株式会社 波長変換レーザー
JPH11271823A (ja) * 1998-03-19 1999-10-08 Mitsubishi Electric Corp 波長変換器
US6424665B1 (en) 1999-04-30 2002-07-23 The Regents Of The University Of California Ultra-bright source of polarization-entangled photons
JP2001024264A (ja) 1999-07-05 2001-01-26 Toshiba Corp 波長変換レーザ装置
JP3389197B2 (ja) * 2000-04-19 2003-03-24 三菱重工業株式会社 レーザ波長変換装置
JP3564489B2 (ja) 2000-07-18 2004-09-08 独立行政法人情報通信研究機構 光通信システムおよび光通信方法
US6897434B1 (en) 2002-02-28 2005-05-24 Northwestern University All-fiber photon-pair source for quantum communications
JP2004219878A (ja) * 2003-01-17 2004-08-05 Orc Mfg Co Ltd 波長変換レーザー装置
JP4058515B2 (ja) 2003-03-11 2008-03-12 独立行政法人産業技術総合研究所 量子相関光子対発生装置
JP2004317566A (ja) * 2003-04-11 2004-11-11 Orc Mfg Co Ltd レーザ装置及びレーザ波長変換装置
WO2004095124A1 (ja) 2003-04-22 2004-11-04 Nihon University 単一光子発生装置
JP2005050847A (ja) 2003-07-29 2005-02-24 Noritsu Koki Co Ltd レーザ装置
US20050243876A1 (en) * 2004-04-29 2005-11-03 Academia Sinica Narrow bandwidth high repetition rate optical parametric oscillator
US9270385B2 (en) 2004-08-04 2016-02-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army System and method for quantum based information transfer
US8983303B2 (en) 2004-08-04 2015-03-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Quantum based information transfer system and method
JP2006064885A (ja) 2004-08-25 2006-03-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光モジュールおよびその製造方法
US7242700B2 (en) * 2004-10-05 2007-07-10 Coherent, Inc. Stabilized frequency-converted laser system
JP5089075B2 (ja) 2006-04-20 2012-12-05 東京特殊電線株式会社 波長変換モジュール
US7570365B2 (en) 2006-09-07 2009-08-04 Magiq Technologies, Inc. Compact tunable high-efficiency entangled photon source
US8149494B1 (en) * 2007-09-07 2012-04-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Two-photon absorption switch having which-path exclusion and monolithic mach-zehnder interferometer
US7489436B1 (en) * 2007-09-11 2009-02-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Hybrid integrated source of polarization-entangled photons
US7787724B2 (en) * 2008-03-13 2010-08-31 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Nonlinear crystal and waveguide array for generation of terahertz radiation
GB0818643D0 (en) * 2008-10-10 2008-11-19 Isis Innovation Calibration of particle detectors
US8243764B2 (en) * 2010-04-01 2012-08-14 Tucker Derek A Frequency conversion of a laser beam using a partially phase-mismatched nonlinear crystal
CN105182654A (zh) * 2010-11-10 2015-12-23 昆士技术有限公司 偏振纠缠光子的三明治波导源
WO2012126495A1 (en) 2011-03-18 2012-09-27 Institut De Ciencies Fotoniques, Fundacio Privada Optical parametric oscillator comprising two nonlinear crystals
JP6287152B2 (ja) 2013-12-12 2018-03-07 沖電気工業株式会社 光源装置、並びに相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生装置
US10133147B2 (en) * 2014-04-28 2018-11-20 Qubitekk, Inc. Scalable source of quantum entangled photons
GB2528958B (en) 2014-08-07 2021-08-04 Univ Bristol Spectroscopy apparatus and method
US11586092B2 (en) 2015-10-05 2023-02-21 Qubitekk, Inc. Tunable source bi-photons

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000089006A (ja) * 1998-09-11 2000-03-31 Mitsubishi Electric Corp 固体光学素子マウントセル
WO2005085946A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-15 The University Of Melbourne A photon source
JP2007101674A (ja) * 2005-09-30 2007-04-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 量子相関光子対発生装置および量子もつれ光子対発生装置
CN201181808Y (zh) * 2007-11-30 2009-01-14 西安电子科技大学 二极管泵浦固体激光器中晶体热管热沉制冷装置
CN101681080A (zh) * 2008-01-23 2010-03-24 松下电器产业株式会社 波长转换激光器以及图像显示装置
CN102654716A (zh) * 2012-04-18 2012-09-05 苏州广泰量子科技有限公司 一种纠缠光子源
CN103149773A (zh) * 2013-03-14 2013-06-12 山西大学 连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置和方法
CN104752944A (zh) * 2015-04-07 2015-07-01 中国科学技术大学 一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11586092B2 (en) 2015-10-05 2023-02-21 Qubitekk, Inc. Tunable source bi-photons
CN111510225A (zh) * 2020-03-20 2020-08-07 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统
CN111510225B (zh) * 2020-03-20 2021-07-06 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 基于多波长纠缠光源的量子通信组网方法及系统

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JP7103942B2 (ja) 2022-07-20

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