CN109976066A - 一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统及其工作方法 - Google Patents

一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统及其工作方法，包括激光器、第一半波片、二色向镜、第一探测器、第二探测器、极化分束器、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导；本发明只用一块周期极化晶体就可以得到我们所需要的纠缠源结构，当激光通过一个极化分束器分成两个可能的路径后从相对方向通过周期极化光波导,泵浦光在两个路径中各产生一对纠缠光子对。本发明装置结构紧凑，干涉仪部分所用光学器件都可以制作在一个集成光路中，为纠缠源的集成化与规模化生产奠定了基础。

Description

一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统 及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统及其工作方法，属于量子信息技术领域。
背景技术
量子力学中，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已整合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子纠缠。
许多量子技术研究方案中的一个重要组成部分是高质量的单光子或纠缠光子对源。目前，实验中使用较多的纠缠源为使用type-II型BBO晶体产生频率下转换光的极化纠缠源，根据不同的泵浦光波长及收集角度计算相应的相位匹配角，但是，其最大的缺点为自发下转换效率较低。后来，随着非线性晶体周期极化技术的成熟，科研人员研制出了周期极化铌酸锂(PPLN)和周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)，紧接着出现了使用两块周期极化晶体的马赫-曾德尔干涉仪结构的极化纠缠源。虽然纠缠光子对的产生效率得到显著提升，但是，由于上述极化纠缠源使用的非线性晶体都为体材料，整个纠缠源装置体积较大，不利于装置的紧凑化设计。且马赫-曾德尔干涉仪结构的极化纠缠源要使用两块周期极化二阶非线性晶体，所需仪器费用比较昂贵不利于大规模的普及。并且，当简并的纠缠光子源用于单光子源时，如果两个光子波长都处于通讯波段，常用的硅基雪崩二极管探测器不能用于对heraled光子的探测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统；
本发明还提供了上述非简并极化纠缠源系统的工作方法；
本发明的技术方案为：
一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，包括激光器、第一半波片、二色向镜、第一探测器、第二探测器、极化分束器、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导；
所述激光器、第一半波片、二色向镜、极化分束器、第二半波片、第二反射镜依次沿光路设置；所述二色向镜连接所述第一探测器；所述极化分束器连接所述第二探测器；所述极化分束器、第二半波片、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导、第一反射镜依次首尾连接；
所述激光器用于产生波长为532nm激光，入射至所述周期极化铌酸锂波导；所述第一半波片用于将激光的水平极化状态变为水平极化与竖直极化叠加的状态；所述二色向镜用于分离激光与产生的下转换光；所述第一探测器、第二探测器用于探测产生的下转换光的信号；所述极化分束器用于将在同一光路上的不同极化方向的光分开；所述第二半波片用于将竖直极化的光变为水平极化的光；所述第一反射镜、第二反射镜用于改变光传播的方向；所述周期极化铌酸锂波导用于产生下转换光。
根据本发明优选的，所述周期极化铌酸锂波导是在商用的离子切片制备的x切的晶圆上制作的，具体制备方法如下：
A、在厚度为10-30μm的二氧化硅层上生长一层厚度为100nm-1μm的铌酸锂薄膜；
B、用磁控溅射的方法在铌酸锂薄膜表面沉积一层厚度为400-800nm的铬层；
C、在铬层上涂一层光刻胶层，用激光直写的方式做出所需要样品的形状；
D、由于铌酸锂薄膜与金属铬层的热损伤阈值不同，通过控制激光功率，在0.2毫瓦采用飞秒激光烧蚀法去除多余的铬层；
E、为了防止铬层的再次沉积，将步骤D处理后的样品放入水中；
F、聚焦激光能量
G、剩余的铬层较为坚硬充当了下面铌酸锂薄膜的保护层，运用晶圆抛光机去除铬层以外的铌酸锂薄膜；
H、将样品放入铬刻蚀溶液中8-15min，去除剩余的铬层，再用晶圆抛光机使用较小的力度抛光，使周期极化铌酸锂波导表面区域光滑，即得。
进一步优选的，所述步骤A中，在厚度为20μm的二氧化硅层上生长一层厚度为400nm的铌酸锂薄膜；所述步骤B中，用磁控溅射的方法在铌酸锂薄膜表面沉积一层厚度为600nm的铬层。
进一步优选的，所述步骤F中，将样品放于一个精度为7nm的XY轴的压电平台，将物镜放于一个精度100nm的z轴的压电平台，物镜为一个数值孔径NA＝0.7、放大倍数为100倍的物镜，使用该物镜产生了一个800nm-2μm的激光光斑。
进一步优选的，所述步骤F中，使用该物镜产生了一个1μm的激光光斑。从激光器中出射的光斑约为200微米左右，经过一个焦距为4毫米的透镜，再经过一个数值孔径0.7的物镜最终将光斑聚焦到所需要的大小。
进一步优选的，所述步骤G中，将天鹅绒抛光布铺在抛光盘上，在上面倒入硅胶悬浮液直至天鹅绒抛光布不再吸收，将样品放在载样盘上，所要抛光面朝天鹅绒抛光布放置，研磨8-15min，去除铬层以外的铌酸锂薄膜，硅胶悬浮液的颗粒大小为60nm。
进一步优选的，所述步骤H中，将样品放入铬刻蚀溶液中10min。
上述非简并极化纠缠源系统的工作方法，包括步骤如下：
(1)空间中电场竖直方向偏振的激光经过所述第一半波片后，在极化自由度上由竖直方向偏振变成了水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子；
(2)在极化自由度上水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子经过所述二色向镜，所述二色向镜使波长为532nm的光透过，波长为810nm和1550nm的光反射至所述第一探测器；
(3)波长为532nm的光经过所述极化分束器，产生顺时针方向水平极化的激光及逆时针方向竖直极化的激光；
顺时针方向水平极化的激光经过所述第二半波片偏转，正入射所述周期极化铌酸锂波导发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nm→|V>810nm|H>1550nm，
|V>532nm是指532nm的竖直极化光子，|V>810nm是指810nm的竖直极化光子，|H>1550nm是指1550nm的水平极化光子；
纠缠光子对经过所述极化分束器后，状态为|V>1550nm的光子经过所述二色向镜反射后1路出射，状态为|H>810nm的光子2路出射；
1路是指依次经过极化分束器、第一反射镜、周期极化铌酸锂波导、第二反射镜、第二半波片、极化分束器、第二探测器形成的光路；
2路是指依次经过极化分束器、第二半波片、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导、第一反射镜、极化分束器、二色向镜、第一探测器形成的光路；
逆时针方向竖直极化的激光正入射所述周期极化铌酸锂波导发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nm→|V>810nm|H>1550nm；
纠缠光子对经过所述极化分束器后，状态为|H>1550nm的光子经二色向镜反射后1路出射，状态为|V>810nm的光子2路出射；
两个纠缠光子对在所述极化分束器上交叠发生干涉；得到了一个极化纠缠态：
|ψ>是指得到的纠缠光子对的极化自由度上的状态，1、2分别是指出射光路1和出射光路2，|V>1是指出射光路1上的光子极化状态为竖直极化，|V>2是指出射光路2上的光子极化状态为竖直极化，|H>1是指为出射光路1上的光子极化状态为水平极化，|H>2是指出射光路2上的光子极化状态为水平极化。因此，从1路出射的光子波长都为1550nm，从2路出射的光子波长都为810nm。极化分束器使偏振方向水平极化的光透过，偏振方向竖直极化的光反射至所述第二探测器。第一反射镜用来改变光路，周期极化铌酸锂波导用来将一个高能量的532nm光子变为两个低能量的波长分别为810和1550nm的光子。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，光子V变为一个极化方向水平方向与竖直方向偏振的叠加态的变化过程如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，H是指光的电场水平方向振动即水平极化光，V是指光的电场方向竖直方向振动即竖直极化光。
本发明的有益效果为：
1、运用萨格钠克干涉仪结构，本发明只用一块周期极化晶体就可以得到所需要的纠缠源结构，当激光通过一个极化分束器，分成两个可能的路径后，从相对方向通过周期极化光波导，泵浦光在两个路径中各产生一对纠缠光子对。本发明装置结构紧凑，干涉仪部分所用光学器件都可以制作在一个集成光路中，为纠缠源的集成化与规模化生产奠定了基础。
2、通过运用铌酸锂薄膜制作周期极化的条形非线性晶体波导，铌酸锂薄膜一般长在二氧化硅层上，先在铌酸锂薄膜上镀上一层金属铬，再通过飞秒激光烧蚀技术去除多余铌酸锂薄膜部分上的铬涂层，然后通过化学机械抛光去除多余的铌酸锂薄膜，最后把剩余的铬层去除，就得到了条形铌酸锂波导，再在波导两面加电压制作周期极化结构。由于铌酸锂薄膜厚度较薄，最后可以得到横截面10*10微米尺寸的条形光波导。
3、通过设计极化周期长度为4.8um，得到810nm和1550nm的非简并纠缠光子对。既可以作为纠缠源使用，又可作为简单易行的单光子源使用。
4、本发明纠缠源结构使用器件尤其是周期极化晶体数量较少，有利于节约研究经费。各个器件都可以放在一个集成光路中，装置体积较小，节约空间。
附图说明
图1为利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统的结构示意图；
图2(a)为周期极化铌酸锂波导制备过程中步骤B完成后的结构示意图；
图2(b)为周期极化铌酸锂波导制备过程中步骤C完成后的结构示意图；
图2(c)为周期极化铌酸锂波导制备过程中步骤G完成后的结构示意图；
图2(d)为周期极化铌酸锂波导制备过程中步骤H完成后的结构示意图；
图3为周期极化铌酸锂波导制备过程中步骤G的操作示意图；
1、激光器，2、第一半波片，3、二色向镜，4、第一探测器，5、第二探测器，6、极化分束器，7、第二半波片，8、第一反射镜，9、第二反射镜，10、周期极化铌酸锂波导，11、铬层，12、铌酸锂薄膜，13、二氧化硅层，14、铌酸锂衬底。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此
实施例1
一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，如图1所示，包括激光器1、第一半波片2、二色向镜3、第一探测器4、第二探测器5、极化分束器6、第二半波片7、第一反射镜8、第二反射镜9、周期极化铌酸锂波导10；
激光器1、第一半波片2、二色向镜3、极化分束器6、第二半波片7、第二反射镜9依次沿光路设置；二色向镜3连接第一探测器4；极化分束器6连接第二探测器5；极化分束器6、第二半波片7、第二反射镜9、周期极化铌酸锂波导10、第一反射镜8依次首尾连接；
激光器1用于产生波长为532nm激光，入射至周期极化铌酸锂波导10；第一半波片2用于将激光的水平极化状态变为水平极化与竖直极化叠加的状态；二色向镜3用于分离激光与产生的下转换光；第一探测器4、第二探测器5用于探测产生的下转换光的信号；极化分束器6用于将在同一光路上的不同极化方向的光分开；第二半波片7用于将竖直极化的光变为水平极化的光；第一反射镜8、第二反射镜9用于改变光传播的方向；周期极化铌酸锂波导10用于产生下转换光。
周期极化铌酸锂波导10是在商用的离子切片制备的x切的晶圆上制作的，具体制备方法如下：
A、在铌酸锂衬底14上生长一层厚度为10-30μm的二氧化硅层13，在二氧化硅层13上生长一层厚度为100nm-1μm的铌酸锂薄膜12；
B、用磁控溅射的方法在铌酸锂薄膜12表面沉积一层厚度为400-800nm的铬层11；步骤B完成后的结构示意图如图2(a)所示；
C、在铬层11上涂一层光刻胶层，用激光直写的方式做出所需要样品的形状；步骤C完成后的结构示意图如图2(b)所示；
D、由于铌酸锂薄膜12与铬层11的热损伤阈值不同，通过控制激光功率，在0.2毫瓦采用飞秒激光烧蚀法去除多余的铬层11；
E、为了防止铬层11的再次沉积，将步骤D处理后的样品放入水中；
F、聚焦激光能量；
G、剩余的铬层11较为坚硬，充当了下面铌酸锂薄12的保护层，运用晶圆抛光机去除铬层11以外的铌酸锂薄膜12；步骤G的操作示意图如图3所示，步骤G完成后的结构示意图如图2(c)所示；
H、将样品放入铬刻蚀溶液中8-15min，去除剩余的铬层11，再用晶圆抛光机使用较小的力度抛光，使周期极化铌酸锂波导10表面区域光滑，即得。步骤H完成后的结构示意图如图2(d)所示。
实施例2
一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其区别在于：
步骤A中，在厚度为20μm的二氧化硅层13上生长一层厚度为400nm的铌酸锂薄膜12；所述步骤B中，用磁控溅射的方法在铌酸锂薄膜12表面沉积一层厚度为600nm的铬层11。
步骤F中，将样品放于一个精度为7nm的XY轴的压电平台，将物镜放于一个精度100nm的z轴的压电平台，物镜数值孔径NA＝0.7，物镜放大倍数为100倍，使用该物镜产生了一个800nm-2μm的激光光斑。从激光器1中出射的光斑约为200微米左右，经过一个焦距为4毫米的透镜，再经过一个数值孔径0.7的物镜最终将光斑聚焦到所需要的大小。
步骤G中，将天鹅绒抛光布铺在抛光盘上，在上面倒入硅胶悬浮液直至天鹅绒抛光布不再吸收，将样品放在载样盘上，所要抛光面朝天鹅绒抛光布放置，研磨8-15min，去除铬层11以外的铌酸锂薄膜12，硅胶悬浮液的颗粒大小为60nm。
步骤H中，将样品放入铬刻蚀溶液中10min。
实施例3
一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其区别在于：步骤F中，使用该物镜产生了一个1μm的激光光斑。
实施例4
实施例1所述的利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统的工作方法，包括步骤如下：
(1)空间中电场竖直方向偏振的激光经过第一半波片2后，在极化自由度上由竖直方向偏振变成了水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子；光子V变为一个极化方向水平方向与竖直方向偏振的叠加态的变化过程如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，H是指光的电场水平方向振动即水平极化光，V是指光的电场方向竖直方向振动即竖直极化光。
(2)在极化自由度上水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子经过二色向镜3，二色向镜3使波长为532nm的光透过，波长为810nm和1550nm的光反射至第一探测器4；
(3)波长为532nm的光经过极化分束器6，产生顺时针方向水平极化的激光及逆时针方向竖直极化的激光；
顺时针方向水平极化的激光经过第二半波片7偏转，正入射周期极化铌酸锂波导10发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nm→|V>810nm|H>1550nm，
|V>532nm是指532nm的竖直极化光子，|V>810nm是指810nm的竖直极化光子，|H>1550nm是指1550nm的水平极化光子；
纠缠光子对经过极化分束器6后，状态为|V>1550nm的光子经过二色向镜3反射后1路出射，状态为|H>810nm的光子2路出射；
1路是指依次经过极化分束器6、第一反射镜8、周期极化铌酸锂波导10、第二反射镜9、第二半波片7、极化分束器6、第二探测器5形成的光路；
2路是指依次经过极化分束器6、第二半波片7、第二反射镜9、周期极化铌酸锂波导10、第一反射镜8、极化分束器6、二色向镜3、第一探测器4形成的光路；
逆时针方向竖直极化的激光正入射周期极化铌酸锂波导10发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nm→|V>810nm|H>1550nm；
纠缠光子对经过极化分束器6后，状态为|H>1550nm的光子经二色向镜3反射后1路出射，状态为|V>810nm的光子2路出射；
两个纠缠光子对在极化分束器6上交叠发生干涉；得到了一个极化纠缠态：
|ψ>是指得到的纠缠光子对的极化自由度上的状态，1、2分别是指出射光路1和出射光路2，|V>1是指出射光路1上的光子极化状态为竖直极化，|V>2是指出射光路2上的光子极化状态为竖直极化，|H>1是指为出射光路1上的光子极化状态为水平极化，|H>2是指出射光路2上的光子极化状态为水平极化。极化分束器6使偏振方向水平极化的光透过，偏振方向竖直极化的光反射至所述第二探测器5。第一反射镜8用来改变光路，周期极化铌酸锂波导10用来将一个高能量的532nm光子变为两个低能量的波长分别为810和1550nm的光子。

Claims (9)

1.一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，包括激光器、第一半波片、二色向镜、第一探测器、第二探测器、极化分束器、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导；
所述激光器、第一半波片、二色向镜、极化分束器、第二半波片、第二反射镜依次沿光路设置；所述二色向镜连接所述第一探测器；所述极化分束器连接所述第二探测器；所述极化分束器、第二半波片、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导、第一反射镜依次首尾连接；
所述激光器用于产生波长为532nm激光，入射至所述周期极化铌酸锂波导；所述第一半波片用于将激光的水平极化状态变为水平极化与竖直极化叠加的状态；所述二色向镜用于分离激光与产生的下转换光；所述第一探测器、第二探测器用于探测产生的下转换光的信号；所述极化分束器用于将在同一光路上的不同极化方向的光分开；所述第二半波片用于将竖直极化的光变为水平极化的光；所述第一反射镜、第二反射镜用于改变光传播的方向；所述周期极化铌酸锂波导用于产生下转换光。
2.根据权利要求1所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述周期极化铌酸锂波导是在商用的离子切片制备的x切的晶圆上制作的，制备方法如下：
A、在厚度为10-30μm的二氧化硅层上生长一层厚度为100nm-1μm的铌酸锂薄膜；
B、在铌酸锂薄膜表面沉积一层厚度为400-800nm的铬层；
c、在铬层上涂一层光刻胶层，做出所需要样品的形状；
D、去除多余的铬层；
E、将步骤D处理后的样品放入水中；
F、聚焦激光能量
G、去除铬层以外的铌酸锂薄膜；
H、将样品放入铬刻蚀溶液中8-15min，去除剩余的铬层，再抛光，使周期极化铌酸锂波导表面区域光滑，即得。
3.根据权利要求2所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述步骤A中，在厚度为20μm的二氧化硅层上生长一层厚度为400nm的铌酸锂薄膜；所述步骤B中，在铌酸锂薄膜表面沉积一层厚度为600nm的铬层。
4.根据权利要求2所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述步骤F中，将样品放于一个精度为7nm的XY轴的压电平台，将物镜放于一个精度100nm的z轴的压电平台，物镜的数值孔径NA＝0.7，物镜的放大倍数为100倍，使用该物镜产生一个800nm-2μm的激光光斑。
5.根据权利要求2所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述步骤F中，使用物镜产生一个1μm的激光光斑。
6.根据权利要求2所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述步骤G中，将天鹅绒抛光布铺在抛光盘上，在上面倒入硅胶悬浮液直至天鹅绒抛光布不再吸收，将样品放在载样盘上，所要抛光面朝天鹅绒抛光布放置，研磨8-15min，去除铬层以外的铌酸锂薄膜，硅胶悬浮液的颗粒大小为60nm。
7.根据权利要求2所述的一种利用周期极化铌酸锂薄膜波导的非简并极化纠缠源系统，其特征在于，所述步骤H中，将样品放入铬刻蚀溶液中10min。
8.权利要求1-7任一所述的非简并极化纠缠源系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)空间中电场竖直方向偏振的激光经过所述第一半波片后，在极化自由度上由竖直方向偏振变成了水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子；
(2)在极化自由度上水平方向与竖直方向偏振的叠加状态的光子经过所述二色向镜，所述二色向镜使波长为532nm的光透过，波长为810nm和1550nm的光反射至所述第一探测器；
(3)波长为532nm的光经过所述极化分束器，产生顺时针方向水平极化的激光及逆时针方向竖直极化的激光；
顺时针方向水平极化的激光经过所述第二半波片偏转，正入射所述周期极化铌酸锂波导发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nn→|V>810nm|H>1550nm，
|V>532nm是指532nm的竖直极化光子，|V>810nm是指810nm的竖直极化光子，|H>1550nm是指1550nm的水平极化光子；
纠缠光子对经过所述极化分束器后，状态为|V>1550nm的光子经过所述二色向镜反射后1路出射，状态为|H>810nm的光子2路出射；
1路是指依次经过极化分束器、第一反射镜、周期极化铌酸锂波导、第二反射镜、第二半波片、极化分束器、第二探测器形成的光路；
2路是指依次经过极化分束器、第二半波片、第二反射镜、周期极化铌酸锂波导、第一反射镜、极化分束器、二色向镜、第一探测器形成的光路；
逆时针方向竖直极化的激光正入射所述周期极化铌酸锂波导发生Type-II型的SPDC过程产生一对纠缠光子对：
|V>532nm→|V>810nm|H>1550nm；
纠缠光子对经过所述极化分束器后，状态为|H>1550nm的光子经二色向镜反射后1路出射，状态为|V>810nm的光子2路出射；
两个纠缠光子对在所述极化分束器上交叠发生干涉；得到了一个极化纠缠态：
|ψ>是指得到的纠缠光子对的极化自由度上的状态，1、2分别是指出射光路1和出射光路2，|V>1是指出射光路1上的光子极化状态为竖直极化，|V>2是指出射光路2上的光子极化状态为竖直极化，|H>1是指为出射光路1上的光子极化状态为水平极化，|H>2是指出射光路2上的光子极化状态为水平极化。
9.根据权利要求8所述的非简并极化纠缠源系统的工作方法，其特征在于，所述步骤(1)中，光子V变为一个极化方向水平方向与竖直方向偏振的叠加态的变化过程如式(I)所示：
式(I)中，H是指光的电场水平方向振动即水平极化光，V是指光的电场方向竖直方向振动即竖直极化光。
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