CN108761958B - 一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构及方法，通过选择不同波长条件下具有不同介电常数的氧化镉作为衬底，非线性有机材料作为条形波导，通过不同波长条件下衬底与条形波导形成的不同场模式的有效折射率确定条形波导的参数值，实现基模间的相位匹配，不需要复杂的高阶模式及模式间的转换，且光波导结构简单；有效的提高了耦合项的非线性系数，有利于高效的产生中红外纠缠三光子。

Description

一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构及其方法

技术领域

本发明涉及非线性光学中三光子产生相位匹配技术领域，具体涉及一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构及其方法。

背景技术

纠缠态光子越来越多的应用到许多高新技术和基础研究领域，比如：光探测器量子效率绝对定标、光辐射绝对测量、量子隐形传态、量子传真、量子密码通信、量子图像学、量子光刻及量子计算等方面。

相关技术中，光量子纠缠态的制备方案采用的是非线性介质中自发参量下转换，但参量下转换的转换效率低。多模相位匹配技术是满足三光子产生相位匹配条件的方法，但泵浦光需要特定的高阶模式驱动，因此在耦合到光波导前需要进行复杂的模式转换。且在多模相位匹配中，高阶模式中总是存在反相分布的模场，易造成重叠模式相互抵消，减小非线性耦合系数。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于基模间相位匹配、可提高耦合项的非线性系数，不需要特定高阶模式的中红外纠缠三光子产生的光波导结构及其方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构，包括条形波导和衬底，所述条形波导位于衬底之上，所述条形波导采用非线性有机材料，所述衬底采用氧化镉。

优选地，所述非线性有机材料为三阶非线性2-[4-二甲基氨基]苯基]-3-{[4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基}丁-1,3-二烯1,1,4,4-四甲腈(DDMEBT)有机材料。

优选地，所述条形波导的高度值在1000-1600nm之间，其宽度值在2100-3000nm；所述衬底的高度为2400nm。

优选地，所述条形波导内部相互作用的光场均处于基模状态。

本发明实施例还提供了一种中红外纠缠三光子产生的方法，包括以下步骤：

(1)确定光波导结构；所述光波导结构包括条形波导和衬底，所述条形波导位于衬底之上；

(2)确定衬底材料属性；所述衬底采用材料为氧化镉，通过氧化镉介电常数的计算公式计算氧化镉在不同波长条件下的介电常数；

(3)调整光波导结构参数；在所述衬底上设置三阶非线性有机介质材料形成的所述条形波导，根据不同波长条件下的氧化镉介电常数与条形波导相互作用表面形成不同的场模式，根据不同场模式的有效折射率调节条形波导的高度、宽度值及衬底的高度值；

(4)产生纠缠态光子；确定光波导结构参数后，采用近红外泵浦光照射于所述条形波导上产生中红外纠缠态光子。

优选地，所述中红外纠缠态光子为中红外纠缠态三光子。

与相关技术比较，本发明实施例采用的技术方案带来的有益效果是，本发明的可产生中红外纠缠态光子的光波导结构，通过选择不同波长条件下具有不同介电常数的氧化镉作为衬底，非线性有机材料作为条形波导，通过不同波长条件下衬底与条形波导形成的不同场模式的有效折射率确定条形波导的参数值，实现基模间的相位匹配，不需要复杂的高阶模式及模式间的转换，有效的提高了耦合项的非线性系数，有利于高效的产生中红外纠缠三光子。

附图说明

图1是本发明实施例产生中红外纠缠态光子的光波导结构示意图；

图2是本发明实施例光波导结构衬底氧化镉材料的介电常数随波长变化示意图；

图3是本发明实施例产生中红外纠缠态光子的方法流程图；

图4是本发明实施例中红外与近红外光折射率随条形波导宽度变化的示意图；

图5是本发明实施例中红外与近红外光场在光波导结构中相位匹配情况的模场图；

图6是本发明实施例的方法产生中红外纠缠态三光子产生速率的归一化谱密度图；

图7是本发明实施例的方法产生中红外纠缠态三光子的速率随条形波导长度变化的示意图。

其中：条形波导1、衬底2。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1、2，本发明的实施例提供了一种可产生中红外纠缠态光子的光波导结构，包括条形波导1和衬底2，所述条形波导1位于所述衬底2之上，所述条形波导1采用非线性有机材料，所述衬底2采用氧化镉。所述氧化镉的材料介电常数在近红外到中红外波段有着其独特的特性，在近红外波段材料介电常数实部大于0，这时氧化镉呈现介质特性，而当波长增大到中红外波段，可以看到氧化镉材料介电常数的实部变为负值，在中红外波段氧化镉呈现金属特性，可以产生表面等离子体激元模式。

进一步地，所述非线性有机材料为三阶非线性2-[4-二甲基氨基]苯基]-3-{[4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基}丁-1,3-二烯1,1,4,4-四甲腈(DDMEBT)有机材料。所述DDMEBT的折射率为1.7973，其非线性系数大，可以得到较大的耦合项非线性系数。

进一步地，所述条形波导1的高度H_D在1000～1600nm之间，其宽度W_D在2100～3000nm；所述衬底2的高度为2400nm。所述衬底2的高度使光可全部照射在所述条形波导1上。

进一步地，所述条形波导1内部相互作用的光场均处于基模状态。

参照附图2、3，本发明实施例还提供了一种中红外纠缠三光子产生的方法，包括以下步骤：

(1)确定光波导结构；所述光波导结构包括条形波导1和衬底2，所述条形波导1位于衬底2之上；

(2)确定衬底材料属性；所述衬底2采用材料为氧化镉，通过氧化镉介电常数的计算公式计算氧化镉在不同波长条件下的介电常数；

具体地，氧化镉的材料介电常数在近红外到中红外波段有着其独特的特性，在近红外波段材料介电常数实部大于0，这时氧化镉呈现介质特性，而当波长增大到中红外波段，可以看到氧化镉材料介电常数的实部变为负值，在中红外波段氧化镉呈现金属特性，可以产生表面等离子体激元模式；所述衬底2材料氧化镉的介电常数采用公式(1)计算，

其中，ε表示氧化镉的介电常数，ε’和ε”分别为介电常数的实部和虚部，ε_∞为高频介电常数，ω_p为等离子体角频率，ω为光波角频率，γ为阻尼度，n为电子密度，e为电子电荷，m_eff＝km₀是电子有效质量，其中m₀为自由电子质量，ε₀为真空中绝对介电常数；其数值分别为ε_∞＝5.5，n＝2.8×10²⁶，e＝1.60217657×10^-19C，k＝0.2，m₀＝9.1×10^-31kg，γ＝2.92×10¹³rad/s；

(3)调整光波导结构参数；在所述衬底2上设置三阶非线性有机介质材料条形波导1，根据不同波长条件下的氧化镉介电常数与条形波导相互作用表面形成不同的场模式，根据不同场模式的有效折射率调节条形波导1的高度、宽度值及衬底2的高度值；

所述条形波导1为三阶非线性2-[4-二甲基氨基]苯基]-3-{[4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基}丁-1,3-二烯1,1,4,4-四甲腈(DDMEBT)有机材料，所述DDMEBT的折射率为1.7973，其非线性系数大，可以得到较大的耦合项非线性系数；氧化镉可作为光波导结构的衬底2，在其表面添加三阶非线性材料介质的条形波导1，这样在中红外波段氧化镉和非线性材料接触面可看做是金属/介质表面，在其上形成表面等离子体激元模式；而在近红外波段，由于氧化镉呈现介质特性，因此在三阶非线性材料中产生光子模式，可通过调整优化波导结构参数使得两种模式有效折射率相同，即可实现基模之间的相位匹配；

参照附图4，当固定DDMEBT材料构成的条形波导1的厚度H_D时，随着条形波导1宽度W_D的增加，中红外的泵浦光有效折射率的增加明显快于近红外的三次谐波；当宽度W_D＝2230nm时，两种基模的有效折射率相等，此时满足三次谐波产生过程的相位匹配条件；

参照附图5，当DDMEBT材料构成的条形波导1的宽度W_D为2230nm，H_D为1400nm时满足三次谐波产生的相位匹配条件，其中波长为4650nm中红外光和波长1550nm近红外光的有效折射率分别为1.7118+0.0176i和1.7118+0.0015i；可以看出波长为中红外波段时，由于氧化镉此时呈现金属特性，在氧化镉和DDMEBT表面形成表面等离子体模式，在表面场强最强，沿Y方向上场强指数衰减，而且从有效折射率虚部可以看出，此时呈现金属特性的氧化镉材料具有较大的负介电常数，因此带来更大的线性传播损耗；而对于波长为1550nm的近红外光，此时由于氧化镉呈现介质特性，介电常数为正，因此对于光场的局域能力下降，在DDMEBT中的光场一部分溢出到氧化镉基底中；

(4)产生纠缠态光子；确定光波导结构参数后，采用近红外泵浦光照射于所述条形波导上产生中红外纠缠态光子。所述中红外纠缠态光子为中红外纠缠态三光子。

中红外纠缠三光子产生速率用方程(1)描述，

其中，d²Γ是纠缠态三光子产生速率光谱强度；κ是相位失配量，包括线性相位失配量和非线性相位失配量，表示为κ＝Δβ+(2γ₃₁-γ₁₁)×P，其中Δβ是线性相位失配量，γ₃₁，γ₁₁表示非线性参量，P表示泵浦光功率；ω_{r,s,i,k'r,s,i},和n_r,s,i分别表示三光子的角频率、传播常数一阶导数及有效折射率，所述光波导中产生的纠缠态三光子必须满足能量守恒，即ω_p＝ω_r+ω_s+ω_i。

参照附图6，采用近红外激光器产生窄带宽，高稳定性的泵浦光，聚焦之后以连续光的形式耦合到所述光波导结构中，泵浦光功率为200mW，中心波长为1550nm；所述条形波导的高度H_D为1400nm，宽度W_D为2230nm。泵浦光受到非线性材料三阶极化张量作用产生非线性极化，在已经满足相位匹配条件情况下，在所述条形波导内部完成由近红外到中红外能量的转化，其中能量的转化意味着光频率的转化，由于ω_p＝ω_r+ω_s+ω_i的约束，产生的光子的频率限制在一定的波长区间内。可以看到纠缠态三光子谱密度图中，当泵浦光为1550nm时，因为满足相位匹配条件可以产生中红外波段的光子，产生的纠缠态光子的密度最大值集中在中红外的4650nm处，意味着产生相等频率的光子的数量最多。当中红外光子的波长偏离4650nm，产生的光子密度都会减小，说明频率不等的光子产生数量较少。因为三光子产生满足能量守恒，因此在光谱强度图上能量呈环状分布，当产生的光子的频率的差值超过一定程度时，三光子产生过程基本停止。

参照附图7，由于极短的传播长度的情况下，光子的产生速率和传播长度基本为线性关系，所以随着所述条形波导1的长度增加光子的产生速率呈线性增加，最高速率达32Hz。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)确定光波导结构；所述光波导结构包括条形波导和衬底，所述条形波导位于衬底之上；

(2)确定衬底材料属性；所述衬底采用材料为氧化镉，通过氧化镉介电常数的计算公式计算氧化镉在不同波长条件下的介电常数；

(3)调整光波导结构参数；在所述衬底上设置三阶非线性有机介质材料形成的所述条形波导，根据不同波长条件下的氧化镉介电常数与条形波导相互作用形成不同的场模式，根据不同场模式的有效折射率调节条形波导的高度、宽度值及衬底的高度值；

(4)产生纠缠态光子；确定光波导结构参数后，采用近红外泵浦光照射于所述条形波导上产生中红外纠缠态光子；

所述条形波导的参数值通过不同波长条件下衬底与条形波导形成的不同场模式的有效折射率来确定，以此实现基模间的相位匹配。

2.根据权利要求1所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，步骤(2)中，所述氧化镉介电常数的计算公式为：

其中，ε表示氧化镉的介电常数，ε’和ε”分别为介电常数的实部和虚部，ε_∞为高频介电常数，ε_∞＝5.5，ω_p为等离子体角频率，ω为光波角频率，γ为阻尼度，γ＝2.92×10¹³rad/s。

3.根据权利要求1所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，步骤(3)中，所述条形波导的高度值在1000-1600nm之间，其宽度值在2100-3000nm；所述衬底的高度为2400nm。

4.根据权利要求3所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，所述条形波导的高度值为1400nm，其宽度值为2230nm。

5.根据权利要求1所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，步骤(4)中，所述中红外纠缠态光子为中红外纠缠态三光子。

6.根据权利要求5所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，步骤(4)中，所述中红外纠缠态三光子产生速率用下述方程描述：

其中，d²Γ是纠缠态三光子产生速率光谱强度；κ是相位失配量，包括线性相位失配量和非线性相位失配量，表示为κ＝Δβ+(2γ₃₁-γ₁₁)×P，其中Δβ是线性相位失配量，γ₃₁，γ₁₁表示非线性参量，P表示泵浦光功率；ω_{r,s,i,k'r,s,i},和n_r,s,i分别表示三光子的角频率、传播常数一阶导数及有效折射率；其中，ω_p＝ω_r+ω_s+ω_i，ω_p为等离子体角频率。

7.根据权利要求1所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，步骤(1)中，所述条形波导采用非线性有机材料。

8.根据权利要求7所述的一种中红外纠缠态光子产生的方法，其特征是，所述非线性有机材料为三阶非线性2-[4-二甲基氨基]苯基]-3-{[4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基}丁-1,3-二烯1,1,4,4-四甲腈有机材料。

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