CN109683425B - 一种偏振无关的光子频率转换量子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及频率转换量子界面技术领域，尤其涉及一种偏振无关的光子频率转换量子装置，其特征在于：二向色镜Ⅰ位于两束光的交点处，二向色镜Ⅱ、所述第零类相位匹配非线性晶体、二向色镜Ⅲ、二向色镜Ⅳ、四分之一波片Ⅰ及反射镜Ⅰ沿所述信号光的射线方向依次布置，反射镜Ⅱ的设置位置满足于将光反射至二向色镜Ⅲ上，反射镜Ⅲ的设置位置满足于将光反射至所述四分之一波片Ⅱ，四分之一波片Ⅱ的设置位置满足于将光透射至二向色镜Ⅳ上，所述二分之一波片的设置位置满足于透射所述二向色镜Ⅱ反射的光。本发明的优点是：可以实现任意纠缠态入射光的光子频率转换；且不会改变入射光的携带信息；还实现了两束不同偏振态的光在时间和空间上的分离与无延迟合束。

Description

一种偏振无关的光子频率转换量子装置
技术领域
本发明涉及频率转换量子界面技术领域，尤其涉及一种偏振无关的光子频率转换量子装置。
背景技术
2012年A.Zeilinger小组利用两块垂直连接的周期性极化磷酸氧钛钾晶体构成了偏振无关的频率转换量子界面，验证了信号光偏振特性在频率转换过程中的保持，但由于晶体长度限制，导致量子效率较低，且不同偏振态的转换光之间存在延迟。2017年ANDREASLENHARD小组利用基于周期性极化铌酸锂的脊波导结构形成了偏振无关的下转换量子界面，并验证了信号光子的偏振纠缠特性在转换过程中得到很好保持，但因为晶体的有限带宽，以及可用泵浦光功率和空间波导模式的非最佳耦合，转换效率较低。
在量子信息网络中，传播的光子往往不是只有一个特定的偏振方向，而是多种偏振方向合成的量子偏振纠缠态，这时就需要偏振不敏感或偏振无关的器件。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种偏振无关的光子频率转换量子装置，利用非线性晶体第零类相位匹配条件和波片能够改变透射光束偏振状态的特点，实现了完整的量子偏振纠缠态的光子频率转换量子界面。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种偏振无关的光子频率转换量子装置，用于实现量子偏振纠缠态的光子频率转换量子界面，包括频率转换模块，所述频率转换模块包括泵浦光量子源、信号光量子源、二向色镜、以及第零类相位匹配非线性晶体，其特征在于：所述装置还包括光分束与合束模块，所述光分束与合束模块包括二向色镜、四分之一波片、二分之一波片及反射镜，二向色镜Ⅰ位于所述泵浦光量子源发射的泵浦光与所述信号光量子源发射的信号光的交点处，二向色镜Ⅱ、所述第零类相位匹配非线性晶体、二向色镜Ⅲ、二向色镜Ⅳ、四分之一波片Ⅰ及反射镜Ⅰ沿所述信号光的射线方向依次布置，反射镜Ⅱ的设置位置满足于将光反射至二向色镜Ⅲ上，反射镜Ⅲ的设置位置满足于将光反射至所述四分之一波片Ⅱ，四分之一波片Ⅱ的设置位置满足于将光透射至二向色镜Ⅳ上，所述二分之一波片的设置位置满足于透射所述二向色镜Ⅱ反射的光。
所述反射镜Ⅰ、所述反射镜Ⅱ、所述反射镜Ⅲ均安装在位移平台上。
所述四分之一波片的快轴方向与线偏振光的偏振方向成45°夹角。
本发明的优点是：结构简单，可以实现任意纠缠态入射光的光子频率转换；不会改变入射光的携带信息，有利于光信息传输；先是实现了两束光时间和空间的分离，又实现了频率转换后的两束光进行无延迟合束，实现纠缠态的复原。
附图说明
图1为本发明的光路原理图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1所示，图中标记1-13分别表示为：泵浦光量子源1、信号光量子源2、二向色镜3、二向色镜4、第零类相位匹配非线性晶体5、二向色镜6、反射镜7、二向色镜8、四分之一波片9、反射镜10、四分之一波片11、反射镜12、二分之一波片13。
实施例：本实施例中的偏振无关的光子频率转换量子装置及其转换方法，用于实现量子偏振纠缠态的光子频率转换量子界面。通过第零类相位匹配非线性晶体5和波片能够改变透射光束偏振状态的特点，实现了完整的、与偏振无关的量子偏振纠缠态的光子频率转换量子界面。光子频率转换的过程中，虽然会改变入射光的偏振状态，但最后会进行偏振态的复原，不会改变入射光的携带信息，有利于光信息传输。
如图1所示：该装置包括频率转换模块和光分束与合束模块。频率转换模块包括泵浦光量子源1、信号光量子源2、二向色镜3、二向色镜4、第零类相位匹配非线性晶体5。光分束与合束模块包括二向色镜6、反射镜7、二向色镜8、四分之一波片9、反射镜10、四分之一波片11、反射镜12、二分之一波片13。
其中，泵浦光量子源1用于发射具有固定偏振态的泵浦光子。信号光量子源2用于发射具有未知偏振态的，且入射方向与泵浦光垂直的信号光子。二向色镜3位于泵浦光与信号光的交点处，用来反射泵浦光，并透射信号光，从而使得泵浦光及信号光进行合束。二向色镜4、第零类相位匹配非线性晶体5沿信号光的射线方向依序布置，二向色镜4是透过信号光和泵浦光，并反射转换光，从而使得偏振状态不同的转换光进行合束，并将转换光与信号光及泵浦光分离。第零类相位匹配非线性晶体5使得与泵浦光子偏振方向相同的信号光子进行频率转换产生偏振态相同的转换光，并使得与泵浦光子偏振方向不同的信号光子透过晶体。
二向色镜6、二向色镜8、四分之一波片11及反射镜12沿信号光的射线方向依次布置。反射镜7的设置位置满足于将光反射到二向色镜6上。反射镜10的设置位置满足于将光反射至四分之一波片9。四分之一波片9的设置位置满足于将光透射至二向色镜8上。二分之一波片13的设置位置满足于透射二向色镜4反射的光。
其中，二向色镜6反射泵浦光，并透过与泵浦光偏振方向不同的信号光和与泵浦光偏振方向相同的转换光，实现泵浦光的分束。反射的泵浦光经过反射镜7进行反射，反射的泵浦光再次经过第零类相位匹配非线性晶体5。二向色镜8将反射透过二向色镜6的转换光，透射信号光，实现信号光与泵浦光的分束。
由于四分之一波片11的快轴方向与线偏振光的偏振方向成45°夹角，四分之一波片11使透过二向色镜8的信号光由线偏振光变为圆偏振光。反射镜12将经过四分之一波片11的信号光进行反射，反射的信号光再次经过四分之一波片11又变为线偏振光，需要注意的是：现在的线偏振光与经过四分之一波片11前的线偏振光相比，偏振方向改变了90°，即四分之一波片11与反射镜12使得与泵浦光偏振方向不同的信号光变为与泵浦光偏振方向相同的信号光。与泵浦光偏振方向相同的信号光经过二向色镜8、二向色镜6入射至第零类相位匹配非线性晶体5内且与反射回的泵浦光产生转换光。
由于四分之一波片9的快轴方向与线偏振光的偏振方向成45°夹角，四分之一波片9使二向色镜8反射的转换光变为圆偏振光。反射镜10将经过四分之一波片9的圆偏振光进行反射，反射光再次经过四分之一波片9又变为线偏振光，需要注意的是：现在的线偏振光与经过四分之一波片9前的线偏振光相比，偏振方向改变了90°，即四分之一波片9与反射镜10使得原先与泵浦光偏振方向相同的上转换光变为与泵浦光偏振方向垂直的上转换光。与泵浦光偏振方向垂直的上转换光经过二向色镜6入射至第零类相位匹配非线性晶体5内且不与反射回的泵浦光产生转换光。
转换光与上转换光经二向色镜4合束后折射至二分之一波片13，变为与入射信号光偏振纠缠态一致的转换光，实现偏振无关的光子频率转换量子界面。
反射镜7、反射镜10、反射镜12均安装在位移平台（图中未示出）上，通过移动位移平台使得频率转换后的两束光进行无延迟合束，实现纠缠态的复原。这样一来，本实施例实现了两束光时间和空间的分离，又实现了频率转换后的两束光进行无延迟合束，实现纠缠态的复原
本实施例的主要思路是：根据第零类相位匹配非线性晶体5的非线性效应，来改变入射光的偏振状态；利用第零类相位匹配非线性晶体5的相位匹配条件使得入射光分为两个偏振方向，并通过二向色镜使得入射光分为两个传播方向，实现了两束光时间和空间的分离，然后通过非线性晶体和二向色镜以及波片，使得返回的光再次进行非线性频率转换，最终进行无延迟合束；
转换过程中，若泵浦光为竖直(水平)偏振光，信号光为竖直(水平)偏振光，满足第零类相位匹配条件，则经过第零类相位匹配非线性晶体5产生竖直(水平)偏振的转换光，然后两次经过四分之一波片后，转换光转换为水平(竖直)偏振光。若信号光为与泵浦光偏振状态垂直的水平(竖直)偏振光，不满足第零类相位匹配条件，则经过第零类相位匹配非线性晶体5不进行频率转换过程，经过两次四分之一波片之后，信号光转换为竖直（水平）偏振光，满足第零类相位匹配条件，经过第零类相位匹配非线性晶体5产生竖直（水平）偏振的转换光，利用二向色镜将两种偏振状态的转换光进行合束，最后经过二分之一波片13，实现出射光与入射光偏振纠缠态完全相同的、完整的、无延时的光子频率转换量子界面。光子频率转换的过程中，虽然会改变入射光的偏振状态，但最后会进行偏振态的复原，不会改变入射光的携带信息，有利于光信息传输。
本实施例在具体实施时：
泵浦光量子源1与信号光量子源2可以为任意波长的，具有量子纠缠态的光源，本发明模拟实验中采用的是自制的掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器，波长分别在1550nm和1036nm。
二向色镜3选用THORLABS的DMLP1500长通二向色镜。
二向色镜4选用THORLABS的DMLP950长通二向色镜。
第零类相位匹配非线性晶体5选用周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体，具体采用的是中国 台湾龙彩（HCP）公司定制的PPLN波导。
二向色镜6采用的是THORLABS的DMLP950长通二向色镜。
二向色镜8采用的是THORLABS定制的长通二向色镜。
四分之一波片11采用的是THORLABS的WPQ05M-1064四分之一波片。
四分之一波片9采用的是THORLABS的WPQ05M-633四分之一波片。
二分之一波片13采用的是THORLABS的WPH05M-633二分之一波片。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (3)

1.一种偏振无关的光子频率转换量子装置，用于实现量子偏振纠缠态的光子频率转换量子界面，包括频率转换模块，所述频率转换模块包括泵浦光量子源、信号光量子源、二向色镜Ⅰ、二向色镜Ⅱ以及第零类相位匹配非线性晶体，其特征在于：所述装置还包括光分束与合束模块，所述光分束与合束模块包括二向色镜Ⅲ、二向色镜Ⅳ、四分之一波片Ⅰ、四分之一波片Ⅱ、二分之一波片、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ以及反射镜Ⅲ，二向色镜Ⅰ位于所述泵浦光量子源发射的泵浦光与所述信号光量子源发射的信号光的交点处，二向色镜Ⅱ、所述第零类相位匹配非线性晶体、二向色镜Ⅲ、二向色镜Ⅳ、四分之一波片Ⅰ及反射镜Ⅰ沿所述信号光的射线方向依次布置，反射镜Ⅱ的设置位置满足于将光反射至二向色镜Ⅲ上，反射镜Ⅲ的设置位置满足于将光反射至所述四分之一波片Ⅱ，四分之一波片Ⅱ的设置位置满足于将光透射至二向色镜Ⅳ上，所述二分之一波片的设置位置满足于透射所述二向色镜Ⅱ反射的光。
2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的光子频率转换量子装置，其特征在于：所述反射镜Ⅰ、所述反射镜Ⅱ、所述反射镜Ⅲ均安装在位移平台上。
3.根据权利要求1所述的一种偏振无关的光子频率转换量子装置，其特征在于：所述四分之一波片的快轴方向与线偏振光的偏振方向成45°夹角。
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