CN109656078B - 一种能量-时间纠缠双光子产生方法 - Google Patents

一种能量-时间纠缠双光子产生方法 Download PDF

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Abstract

一种能量‑时间纠缠双光子产生方法，属于量子信息科学技术领域。包括：步骤一、发射泵浦光；步骤二、将泵浦光进行调整后送至二阶非线性晶体或晶体波导，在二阶非线性晶体或晶体波导中发生级联光学倍频和自发参量下转换的二阶非线性过程，生成能量‑时间纠缠双光子对；其中对泵浦光的调整包括调整泵浦光的功率、偏振方向和进行滤波；步骤三、对二阶非线性晶体或晶体波导发出的光进行分光滤波和波长选择，将剩余的泵浦光子和步骤二生成的能量‑时间纠缠双光子对分开；步骤四、从步骤三滤出的能量‑时间纠缠双光子中分离并提取信号光子和闲频光子。通过本发明的方法制备出的光源具有高效率、小型化、实用化、易与光纤系统集成等特点。

Description

一种能量-时间纠缠双光子产生方法
技术领域
本发明属于量子信息科学技术领域，涉及一种基于级联二阶非线性光学过程的能量-时间纠缠双光子产生方法。
背景技术
能量-时间纠缠的双光子由于其独特的量子特性，在量子信息科学领域具有广泛的应用价值。能量-时间自由度纠缠光子可支持高维量子信息编码，比如频率片、时间片等。相比于偏振纠缠、离散时间片纠缠等量子光源，通讯波段的能量-时间纠缠双光子可能在复杂环境下保持长距离和大容量的稳定传输，利用这一特点，可以将能量-时间纠缠双光子源应用到量子雷达、量子密码学、量子隐形传态、量子密钥分发、量子密集编码等方面。
目前，制备能量-时间纠缠双光子源的常见方法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程产生纠缠光子对，具体而言，一个泵浦光子平行于非线性晶体的主轴入射到非线性晶体中，在一定概率下，泵浦光子湮灭生成两个频率更低的光子，即信号光子和闲频光子，此过程满足能量守恒和动量守恒。用此方法制备能量-时间纠缠源，目前通常使用块状的体光学器件搭建而成，需要配合使用自由空间光路，要求精密的光学对准和稳定的实验环境，在实现高收集效率、器件进一步小型化和应付极端环境应用等方面存在局限；同时，需要使用波长跨度很大的光学元器件增加整个系统的复杂性。因此，人们需要更加易于制备、小型化、实用化等功能更优化的能量-时间纠缠双光子源。
发明内容
针对上述传统能量-时间纠缠双光子产生方法存在的效率低和对器件、环境要求高的不足之处，本发明提出一种能量-时间纠缠双光子产生方法，能够使用通讯波段的成熟器件来制备能量-时间纠缠双光子源，该方法基于级联二阶非线性晶体或晶体波导中的倍频过程和自发参量下转换过程，使用本发明方法的装置具有易于组装、小型化、实用化、可光纤器件集成等特点。
本发明的技术方案为：
一种能量-时间纠缠双光子产生方法，包括如下步骤：
步骤一、发射泵浦光；
步骤二、将所述泵浦光进行调整后送至二阶非线性晶体或晶体波导，在所述二阶非线性晶体或晶体波导中发生级联光学倍频和自发参量下转换的二阶非线性过程，生成能量-时间纠缠双光子对；
其中对所述泵浦光的调整包括：
A、调整所述泵浦光的功率；
B、调整所述泵浦光的偏振方向，使得泵浦光以平行于所述二阶非线性晶体或晶体波导偏振主轴的方向进入所述二阶非线性晶体或晶体波导；
C、对所述泵浦光进行滤波，滤除多余噪声；
步骤三、对所述二阶非线性晶体或晶体波导发出的光进行分光滤波和波长选择，将剩余的泵浦光子和步骤二生成的能量-时间纠缠双光子对分开；
步骤四、从步骤三滤出的能量-时间纠缠双光子中分离并提取信号光子和闲频光子。
具体的，所述步骤一中首先利用激光泵浦光源产生稳定连续的泵浦光，再利用强度调制器将稳定连续的泵浦光调制为准连续的泵浦光输出。
具体的，所述激光泵浦光源为光纤耦合的连续激光器，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种商用连续激光器，能产生持续的泵浦光，中心波长范围为1530nm～1600nm。
具体的，所述强度调制器的工作波长范围为1530nm～1600nm，用于调节泵浦光的强度，实现准连续泵浦光产生。
具体的，将所述步骤一发射的泵浦光经过掺铒光纤放大器放大功率后再进行步骤二。
具体的，所述步骤二中采用透射波长与泵浦光的中心波长一致的第一密集波分复用器对所述泵浦光进行滤波的处理，使得经过所述第一密集波分复用器的泵浦光滤除来自所述掺铒光纤放大器的放大自发辐射噪声。
具体的，所述步骤三中利用第二密集波分复用器进行分光滤波和波长选择，将泵浦光子和能量-时间纠缠双光子对分离开。
具体的，所述二阶非线性晶体或晶体波导包括周期极化的铌酸锂、周期极化的磷酸氧钛钾、周期极化的偏硼酸钡等非线性晶体中的任意一种，能够实现光学倍频过程和自发参量下转换过程，当特定波长的泵浦光射入到二阶非线性晶体或晶体波导中，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，首先发生光学倍频过程，产生二次谐波，倍频的光子紧接着进行自发参量下转换，生成能量-时间纠缠的双光子，分别是信号光子和闲频光子。
本发明的有益效果是：提供了一种基于级联二阶非线性光学过程产生能量-时间纠缠双光子的方法，该方法利用二阶非线性晶体或晶体波导中的倍频和自发参量下转换等二阶非线性过程，具有高的双光子产生效率和大工作带宽等特点，通过强度调制器调节泵浦光的占空比和减短二阶非线性晶体或晶体波导的尾纤长度，可以有效降低光源的拉曼噪声；本发明提出的方法使用的所有器件，均可来自通讯波段成熟的器件，使得纠缠源具有小型化、稳定输出的特点；此外本发明的方法不需要自由空间光学，且易与光纤器件集成，能大大提升纠缠光子的收集和应用范围，利用本发明的方法制备的能量-时间双光子纠缠源可应用在量子通讯、量子网络、量子探测等领域。
附图说明
图1为实施例中实现本发明提出的一种能量-时间纠缠双光子产生方法的能量-时间纠缠双光子源装置的结构示意图。
图2为实施例中采用Franson干涉仪表征本实施例中能量-时间纠缠双光子源性能的示意图，其中组件10为Franson干涉仪，组件11为单光子探测器，组件12为符合计数器。
图3为Franson干涉条纹测试结果，在未扣除噪声的情况下，干涉条纹可见度为90.5％±0.5％。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出的能量-时间纠缠双光子产生方法利用二阶非线性晶体波导或波导晶体7的级联非线性晶体中的倍频过程(Second Harmonic Generation,SHG)和自发参量下转换过程(Spontaneous Parametric Down Conversion,SPDC)，产生能量-时间纠缠双光子，如图1所示给出了一种实现本发明的方法的装置，所使用的器件可以全部来自通讯波段的商用器件，包括连续激光泵浦光源1、强度调制器2、掺铒光纤放大器3、偏振控制器4、可调光衰减器5、密集波分复用器6和8、二阶非线性晶体波导7、滤波和选择装置9，各组件依次连接。
连续激光泵浦光源1提供持续稳定的泵浦光，为光纤耦合的连续激光器，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种商用连续激光器，能产生持续的泵浦光，中心波长范围可以为1530nm～1600nm，比如提供中心波长为1532.7nm的泵浦光。
强度调制器2具有保偏的输入和输出端口，用于调节泵浦光的强度，将连续泵浦光调制为准连续泵浦光，工作波长范围可以为1530nm～1600nm，使得进入二阶非线性晶体或晶体波导7的平均泵浦光平均功率降低、强度不会太高，在保证双光子产生效率的前提下，通过强度调制器调节泵浦光的占空比和减短二阶非线性晶体或晶体波导的尾纤长度，可以起到有效降低晶体或晶体波导的光纤尾纤中产生的拉曼噪声的作用。比如中心波长为1532.7nm的连续泵浦光，经过强度调制器后变为脉冲宽度100ns、重复频率500kHz的准连续脉冲泵浦光。
掺铒光纤放大器3用于放大泵浦光，起到提升泵浦光峰值功率的功能，工作波长范围可以为1530nm～1560nm。比如准连续的1532.7nm的泵浦光经过掺铒光纤放大器后，其平均功率为12mW，峰值功率为240mW，脉冲占空比为5％。
偏振控制器4包括波片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器中的任何一种，用于控制泵浦光的偏振方向，使得线偏振泵浦光经过偏振控制器以后与二阶非线性晶体或晶体波导7偏振主轴平行入射，满足能量-时间纠缠双光子产生所需的相位匹配条件。如本实施例中用来调节1550nm波段的泵浦光偏振方向。
可调光衰减器5用于调节最终进入二阶非线性晶体或晶体波导的泵浦光功率，通过调节旋钮等方式可以精确地实现所需的泵浦光功率。其中，拉曼噪声随泵浦光功率增大而线性增大，双光子产生效率与泵浦光的二次方成正比关系。因此，为能达到一个最优的信噪比，需要对入射泵浦光的功率进行最优选取，确定最佳的泵浦功率。
第一密集波分复用器6用于对泵浦光进行滤波，第一密集波分复用器6的透射波长与泵浦光的中心波长保持一致，经过第一密集波分复用器6之后，来自掺铒光纤放大器3的放大自发辐射噪声将被滤除，保证其后产生的能量-时间纠缠光子对能够被有效探测。本实施例中采用带宽为0.5nm的第一密集波分复用器6，将中心波长为1532.7nm的泵浦光进行滤波，可以有效清除系统中掺铒光纤放大器3中产生的放大自发辐射杂散光噪声。
二阶非线性晶体或晶体波导7用于发生级联光学倍频和自发参量下转换等二阶非线性过程，生成能量-时间纠缠双光子对，二阶非线性晶体或晶体波导7可以为周期极化的铌酸锂、周期极化的磷酸氧钛钾、周期极化的偏硼酸钡等非线性晶体中的任意一种，能够实现光学倍频过程和自发参量下转换过程，本实施例中非线性晶体为成熟的周期极化铌酸锂二阶非线性晶体波导。当特定波长的泵浦光射入到二阶非线性晶体或晶体波导中，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，首先发生光学倍频过程，产生二次谐波，倍频的光子紧接着进行自发参量下转换，生成能量-时间纠缠的双光子，分别是信号光子和闲频光子。比如中心波长为1532.7nm的(准)连续泵浦光，沿周期极化铌酸锂晶体的主轴入射，首先发生光学倍频过程，生成波长为766.4nm的倍频光子，生成的倍频光子紧接着进行自发参量下转换，生成和选取出能量-时间纠缠的双光子，分别是信号光子(1535.0nm)和闲频光子(1530.3nm)，整个过程满足能量守恒和动量守恒。整个过程如下：
Figure BDA0001961196030000051
第二密集波分复用器8用于将剩余泵浦光子和生成的光子对分开。比如第二密集波分复用器8的公共端口和二阶非线性晶体或晶体波导7相连，将波长为1532.7nm、1530.3nm、1535.0nm的光子输入到第二密集波分复用器8中，1532.7nm的泵浦光子从透射端口出来，而1530.3nm的闲频光子和1535.0nm的信号光子则从反射端口进入后面的滤波和波长选择装置。
滤波和波长选择装置9拥有两个输出端口，通过选择滤波得到信号光子(ωs)和闲频光子(ωi)。比如用1530.3nm和1535.0nm的滤波器对生成光子进行滤波，从而得到能量-时间纠缠的双光子源。
密集波分复用器拥有三个端口，一个公共端口，一个透射端口，一个反射端口。透射端口透射通过特定波长的光，公共端口可以作为输入和输出的端口，反射端口输出特定波长之外的光。如图1所示的结构图中，第一密集波分复用器6的透射端口与可调光衰减器5相连，允许特定波长的泵浦光透射进入第一密集波分复用器6，其公共端口输出特定波长的泵浦光，公共端口与二阶非线性晶体或晶体波导7连接，将泵浦光送入到二阶非线性晶体或晶体波导7中。二阶非线性晶体或晶体波导7的输出端口里面包含了剩余泵浦光子，以及产生的信号光子和闲频光子。第二密集波分复用器8的公共端口与二阶非线性晶体或晶体波导7的输出端口相连，让剩余泵浦光、信号光、闲频光一起从第二密集波分复用器8的公共端口进入，而密集波分复用器独特的设计结构，可以让特定波长的剩余泵浦光从透射端口输出而被过滤除掉，让信号光和闲频光从反射端口进入滤波和波长选择装置9。
制备出的能量-时间纠缠双光子源，可以采用Franson干涉对光源的性能进行表征。本实施例中将生成的1535.0nm信号光子和1530.3nm的闲频光子输入到Franson干涉仪中，其测试装置如图2所示。Franson干涉仪由两个不等臂的马赫-曾德尔干涉仪组成，两臂引入的相位差分别为Φ1和Φ2，测试时固定Φ1不变，通过调节Φ2，得到符合计数随相位变化的干涉条纹，结果如图3所示，干涉条纹的可见度为90.5％±0.5％。可以看到只采用成熟的通讯波段器件，通过级联光学倍频和自发参量下转换等二阶非线性光学过程，就能制备出高性能的能量-时间纠缠双光子源。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此而限制本专利的范围，凡是利用本发明书和附图内容所做的等效结构和方法，均同理包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、产生稳定连续的泵浦光并调制为准连续的泵浦光后发射；
步骤二、将所述泵浦光进行调整后送至二阶非线性晶体或晶体波导，在所述二阶非线性晶体或晶体波导中发生级联光学倍频和自发参量下转换的二阶非线性过程，生成能量-时间纠缠双光子对；
其中对所述泵浦光的调整包括：
A、调整所述泵浦光的功率；
B、调整所述泵浦光的偏振方向，使得泵浦光以平行于所述二阶非线性晶体或晶体波导偏振主轴的方向进入所述二阶非线性晶体或晶体波导；
C、对所述泵浦光进行滤波，滤除多余噪声；
步骤三、对所述二阶非线性晶体或晶体波导发出的光进行分光滤波和波长选择，将剩余的泵浦光子和步骤二生成的能量-时间纠缠双光子对分开；
步骤四、从步骤三滤出的能量-时间纠缠双光子中分离并提取信号光子和闲频光子。
2.根据权利要求1所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述步骤一中首先利用激光泵浦光源产生稳定连续的泵浦光，再利用强度调制器将稳定连续的泵浦光调制为准连续的泵浦光输出。
3.根据权利要求2所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述激光泵浦光源为光纤耦合的连续激光器，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种商用连续激光器，能产生持续的泵浦光，中心波长范围为1530nm～1600nm。
4.根据权利要求3所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述强度调制器的工作波长范围为1530nm～1600nm，用于调节泵浦光的强度，实现准连续泵浦光产生。
5.根据权利要求1至4任一项所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，将所述步骤一发射的泵浦光经过掺铒光纤放大器放大功率后再进行步骤二。
6.根据权利要求5所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述步骤二中采用透射波长与泵浦光的中心波长一致的第一密集波分复用器对所述泵浦光进行滤波的处理，使得经过所述第一密集波分复用器的泵浦光滤除来自所述掺铒光纤放大器的放大自发辐射噪声。
7.根据权利要求1或6所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述步骤三中利用第二密集波分复用器进行分光滤波和波长选择，将泵浦光子和能量-时间纠缠双光子对分离开。
8.根据权利要求1所述的能量-时间纠缠双光子产生方法，其特征在于，所述二阶非线性晶体或晶体波导包括周期极化的铌酸锂、周期极化的磷酸氧钛钾、周期极化的偏硼酸钡等非线性晶体中的任意一种，能够实现光学倍频过程和自发参量下转换过程，当特定波长的泵浦光射入到二阶非线性晶体或晶体波导中，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，首先发生光学倍频过程，产生二次谐波，倍频的光子紧接着进行自发参量下转换，生成能量-时间纠缠的双光子，分别是信号光子和闲频光子。
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