CN110308603A - 双色标记光子源产生模块及包括该模块的双兼容通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光技术、非线性光物理技术、量子光学和量子通信技术领域，尤其涉及双色标记光子源产生模块及包括该模块的双兼容通信装置,其中双色标记光子源产生模块包括在光路上依次设置的用于调节输入脉冲光的偏振态和聚焦的光片组件、第三准相位匹配晶体PPKTP3，所述光片组件输入端输入设定波长的第三泵浦光，第三泵浦光经过第三准相位匹配晶体PPKTP3的自发产量下转换成一对信号光子和闲频光子，所述信号光子和闲频光子的波长和带宽符合能量守恒和动量守恒公式经过转换为：ωp＝ωs+ωi(1)Δk＝kp‑ks‑ki+2π/Λ＝0(2)。该发明的优点在于：本发明中符合公式(1)和公式(2)的双色标记光子源产生模块能够同时产生两路脉冲光子信号，并且波长可同时兼容水下通信窗口和光纤通信窗口。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术、非线性光物理技术、量子光学和量子通信技术领域，尤其涉及双色标记光子源产生模块及包括该模块的双兼容通信装置。
背景技术
目前用于通信的信道主要有光纤、自由空间和水下信道，要想增加通信距离需要进行编码的光波长处于信道的低损耗窗口。光纤信道的低损耗窗口位于1.5微米波段，而水下通信信道的低损耗窗口处于蓝绿激光波段(范围为450nm～530nm)。
在量子通信领域，标记双光子源是研究量子通信技术的重要资源。未来的量子通信系统需要兼容不同的通信信道，因此制备处于不同类型的通信信道窗口波段的光子源是实现混合量子网络的重要基础。目前已有的双色光子源主要用于连接量子存储器和低损耗的光纤通信窗口，然而还没有任何关于同时兼容水下通信窗口和光纤通信窗口的双色光子源的报道。此类双色光子对的研制将为未来的光纤和水下混合量子通信网络的构建提供便利。
鉴于此，有必要研究一种能够同时兼容水下和光纤信道的高品质双色光子源，该光源的研制将有助于构建混合型的量子网络，另一方便该光子源也可在双色鬼成像系统中发挥优势。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供双色标记光子源产生模块及包括该模块的双兼容通信装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
双色标记光子源产生模块包括在光路上依次设置的用于调节输入脉冲光的偏振态和聚焦的光片组件、第三准相位匹配晶体PPKTP3，所述光片组件输入端输入设定波长的第三泵浦光，第三泵浦光经过第三准相位匹配晶体PPKTP3的自发产量下转换成一对信号光子和闲频光子，所述信号光子和闲频光子的波长和带宽符合能量守恒和动量守恒公式，经过转换为：
ωp＝ωs+ωi (1)
Δk＝kp-ks-ki+2π/Λ＝0 (2)
其中kq＝2πnq/λq(q＝p,s,i)，kp、ks、ki分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波矢，Λ为第三准相位匹配晶体PPKTP3的极化周期，ωp、ωs、ωi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的振动频率，np、ns、ni分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的折射率，λp、λs、λi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波长，根据振动频率即可求得信号光子和闲频光子的带宽。
优化的，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3为准相位匹配的二类相位匹配晶体。
优化的，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3的两个端面均镀有第三泵浦光、信号光子和闲频光子对应的三个波长的增透膜。
优化的，所述光片组件包括设置在光路上的调偏单元和聚焦单元。
优化的，模块还包括温控炉，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3设置在温控炉内。
包括上述的双色标记光子源产生模块的双兼容通信装置还包括光子接收模块，光子接收模块包括第二双色镜DM2、第一路通信组件、第二路通信组件，所述第二双色镜DM2将信号光子和闲频光子发射到第一光支路和第二光支路内，分别对应传输到第一路通信组件和第二路通信组件中；所述第一路通信组件包括设置在第一光支路上的滤除第三泵浦光的长通滤波器LPF、第二准直组件；所述第二路通信组件包括设置在第二光支路上的滤除第三泵浦光的带通滤波器BPF、第三准直组件。
优化的，所述光子接收模块还包括符合计数单元，所述符合计数单元包括第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2、符合计数仪；第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2对应设置在第一光支路和第二光支路输出端处，第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2的输出端分别与符合计数仪连接。
优化的，所述装置还包括倍频模块，所述倍频模块包括沿着光路依次设置的第一泵浦光源Laser、传输调光单元、第一倍频单元、第一双色镜DM1、第二倍频单元，所述第一倍频单元和第二倍频单元均包括起到聚焦作用的透镜和周期性极化晶体。
优化的，所述第一倍频单元和第二倍频单元中的周期性极化晶体为一型相位匹配的周期性极化晶体。
优化的，所述第一泵浦光源Laser输出1560nm的泵浦光，所述第一倍频单元输出780nm的二倍频光，第二倍频单元输出390nm的四倍频光，四倍频光作为第三泵浦光依次通过第一准直传输组件、光片组件后传输到第三准相位匹配晶体PPKTP3内，所述第一准直传输组件包括紫光单模光纤SMF和分别设置在紫光单模光纤SMF两端的第二准直单元和第三准直单元。
本发明的优点在于：
(1)本发明中符合公式(1)和公式(2)的双色标记光子源产生模块能够同时产生两路脉冲光子信号，并且波长可同时兼容水下通信窗口和光纤通信窗口。
(2)本发明中的调偏单元用于调节进入第三准相位匹配晶体PPKTP3的泵浦光的偏振态，聚焦单元用于将泵浦光聚焦到第三准相位匹配晶体PPKTP3中。
(3)本发明设置有温控炉，通过调节温度来调节第三准相位匹配晶体PPKTP3的极化周期。
(4)本发明中的双兼容通信装置运用双色标记光子源产生模块具体实现兼容水下通信和光纤通信，其中第一路通信组件形成的第一路通信光路位于水下通信低损耗的蓝绿激光窗口，第二路通信组件形成的第二通信光路位于低损耗的光纤通信波段窗口。
(5)其中符合计数单元是用来表征双色标记光子源产生模块产生的光源的质量。
(6)其中第一泵浦光源Laser为光纤皮秒激光器，本发明采用倍频模块，可得到用于泵浦参量下转换的紫外激光，即第三泵浦光。由于光纤脉冲激光器具有体积小，功率高等特点，通过两个一型准相位匹配晶体中的倍频过程，可以将光波长为1560nm的光纤皮秒激光器的激光直接转换到波长为390nm的第三泵浦光,利用超快激光的优势是其峰值功率高，单次通过的非线性转换效率高，从而可以避免复杂的外腔倍频过程，使整个系统的结构更简单和紧凑。
(7)本发明中第一倍频单元和第二倍频单元内的周期性极化晶体和第三准相位匹配晶体PPKTP3均使用准相位匹配晶体，准相位匹配晶体相对于角度匹配晶体具有非线性转换效率高，没有空间走离效应。
(8)紫光单模光纤SMF具有两方面作用，一方面可以有效的滤除1560nm泵浦光和780nm的二倍频光，避免复杂的复合滤波装置，另外单模光纤具有很好的模式滤波效果，可以保证出射的光斑接近理想的高斯光束。
(9)本发明提出了一种同时兼容水下和光纤低损耗信道的高亮度双色标记光源，其具双波长输出，亮度高，在构建远距离混合量子通信网络和双色鬼成像方面具有很大的潜力。
(10)本发明是基于第三准相位匹配晶体PPKTP3中的发参量下转换过程制备双色标记光子对。其泵浦光利用高重频、高功率的光纤皮秒激光在一型相位匹配的周期性极化晶体中产生四倍频泵浦激光，产生的四倍频泵浦激光经过紫光用单模光纤SMF收集，从而可以高效的滤除泵浦光和二倍频激光，与此同时可以对紫外泵浦光进行空间模式滤波，从而可以高效率的泵浦参量下转换晶体，产生高亮度的双色光子对。双色光子对一个光子处于蓝绿激光波段，用于低损耗的水下光通窗口，另一个波长位于光纤通信窗口。双色光子对将为构建混合量子通信网络奠定基础，与此同时，此类高亮度光子源还可以用于双色鬼成像实验研究，利用可见探测器的探测优势和红外光场在空间信道的传输优势。因此该双色光子源对混合量子通信网络和双色鬼成像研究具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种同时兼容水下和光纤低损耗信道的高亮度双色标记光源的光路结构示意图。
图2为本发明中产生的双色光子对的单路计数随泵浦功率的关系图。
图3为本发明中光子的符合计数和暗符合的比值CAR随泵浦功率的关系图。
图4为本发明实施例提供的双光子符合的信噪比随泵浦功率的关系图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，双色标记光子源产生模块包括在光路上依次设置的用于调节输入脉冲光的偏振态和聚焦的光片组件、第三准相位匹配晶体PPKTP3。所述光片组件输入端输入设定波长的第三泵浦光，所述光片组件包括设置在光路上的调偏单元和聚焦单元。其中调偏单元包括依次设置在光路上的半波片HWP2、四分之一波片QWP，聚焦单元为第三准直透镜L4。其中半波片HWP2、四分之一波片QWP用于调整第三泵浦光到合适的偏振态，透镜L4用于将已调节偏振后的第三泵浦光聚焦传输到第三准相位匹配晶体PPKTP3内。在该实施例中，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3为准相位匹配的二类相位匹配晶体。在该实施例中第三泵浦光的波长为390nm。
第三泵浦光经过第三准相位匹配晶体PPKTP3的自发产量下转换成一对信号光子和闲频光子，所述信号光子和闲频光子的波长和带宽符合能量守恒和动量守恒公式，经过转换为：
ωp＝ωs+ωi (1)
Δk＝kp-ks-ki+2π/Λ＝0 (2)
其中kq＝2πnq/λq(q＝p,s,i)，kp、ks、ki分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波矢，Λ为第三准相位匹配晶体PPKTP3的极化周期，ωp、ωs、ωi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的振动频率，np、ns、ni分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的折射率，λp、λs、λi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波长，根据振动频率即可求得信号光子和闲频光子的带宽。信号光子的波长为1560nm和520nm其中一个，则闲频光子的波长则为1560nm和520nm中的另一个。
所述第三准相位匹配晶体PPKTP3的两个端面均镀有第三泵浦光、信号光子和闲频光子对应的三个波长的增透膜。即均镀有390nm、520nm、1560nm三个波长的增透膜。
模块还包括温控炉，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3设置在温控炉内。从而调节公式(2)中的第三准相位匹配晶体PPKTP3的极化周期。在该实施例中,控温范围15到70摄氏度，控温精度2mK.
实施例2
如图1所示，包括实施例1所述的双色标记光子源产生模块的双兼容通信装置还包括设置在双色标记光子源产生模块前端的倍频模块、设置在双色标记光子源产生模块后方的光子接收模块。
所述倍频模块包括沿着光路依次设置的第一泵浦光源Laser、传输调光单元、第一倍频单元、第一双色镜DM1、第二倍频单元，所述第一倍频单元和第二倍频单元均包括起到聚焦作用的透镜和周期性极化晶体。所述第一倍频单元和第二倍频单元中的周期性极化晶体为一型相位匹配的周期性极化晶体，一型匹配的优势是可以利用晶体的最大非线性系数，转换效率高。第一泵浦光源Laser为中心波长为1560nm、脉宽为1ps，重频为80MHz、平均功率为1W的脉冲激光器。
传输调光单元包括将第一泵浦光源Laser输出的波长为1560nm的泵浦光传出的保偏光纤PMF、第一光纤准直器FC1、半波片HWP1、偏振分束器PBS，保偏光纤PMF用于保持光纤激光器的输出偏振状态，其输出的泵浦光经过第一准直器FC1准直后，然后依次经过半波片HWP1和偏振分束器PBS来调节波长为1560nm的泵浦光的光强。
第一倍频单元包括透镜L1、第一准相位匹配晶体PPKTP1，透过偏振分束器PBS的泵浦光通过1560nm的透镜L1聚焦到第一准相位匹配晶体PPKTP1内。第一准相位匹配晶体PPKTP1沿着光路方向的两个端面镀1560nm和780nm的增透膜，第一倍频单元用于输出780nm的二倍频光。
第一双色镜DM1的作用是反射波长为780nm的泵浦光到第二倍频单元内。
第二倍频单元包括透镜L2、第二准相位匹配晶体PPKTP2，780nm的泵浦光通过780nm的透镜L2聚焦到第二准相位匹配晶体PPKTP2内。第一准相位匹配晶体PPKTP1和第二准相位匹配晶体PPKTP2均配置有温控炉，控温范围15到70摄氏度，控温精度2mK。第二准相位匹配晶体PPKTP2沿着光路方向的两个端面镀390nm和780nm的增透膜。第二倍频单元输出390nm的四倍频光。
四倍频光依次通过第一准直传输组件、光片组件后传输到第三准相位匹配晶体PPKTP3内，所述第一准直传输组件包括紫光单模光纤SMF和设置在紫光单模光纤SMF两侧的第二准直单元和第三准直单元。所述第二准直单元包括依次设置的准直透镜L3和第二光纤准直器FC2，第三准直单元为第三光纤准直器FC3。
所述四倍频390nm激光经过第二准直单元耦合进单模光纤SMF后，通过第三光纤准直器FC3出射，出射的激光偏振通过半波片HWP2和四分之一波片QWP调节到合适的偏振态，然后通过透镜L4聚焦进参量下转换晶体PPKTP3中产生双色光子对。通过利用紫光的单模光纤SMF将四倍频光耦合进光纤，可以有效的滤除泵浦光和产生的二倍频光，避免繁杂的滤波光路，使系统具有更高的集成度，与此同时可以对四倍频的空间模式进行纯化，有助于产生高品质的双色标记光子源。
光子接收模块包括第二双色镜DM2、第一路通信组件、第二路通信组件，所述第二双色镜DM2将信号光子和闲频光子发射到第一光支路和第二光支路内，分别对应传输到第一路通信组件和第二路通信组件中；所述第一路通信组件包括设置在第一光支路上的滤除第三泵浦光的长通滤波器LPF、第二准直组件，第二准直组件包括准直透镜L5和第四光纤准直器FC4；所述第二路通信组件包括设置在第二光支路上的滤除第三泵浦光的带通滤波器BPF、第三准直组件,第三准直组件包括准直透镜L6和第五光纤准直器FC5。
实施例3
为了用来表征双色标记光子源产生模块产生的光源的质量，除实施例2中的结构外，如图1所示，所述光子接收模块还包括符合计数单元。所述符合计数单元包括第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2、符合计数仪；第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2对应设置在第一光支路和第二光支路输出端处，第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2的输出端分别与符合计数仪连接。波长为520nm和1560nm的光子分别通过第一光支路和第二光支路上的第四光纤准直器FC4、第五光纤准直器FC5收集进单模光纤并用可见单光子探测器SPD1和红外单光子探测器SPD2进行探测和符合测量。
在本发明实例中，为了表征所产生的双色标记光源的质量需要测量光子源的以下参数。首先需要测量波长为信号光子和闲频光子产生率与泵浦功率的关系，如图2、图3所示，在本实例中的光子的单路计数率可以达到110kHz/mW，符合计数率可以达到13.1kHz/mW。然后需要表征光子的符合计数与暗符合的比值CAR随功率的关系，如图4所示，在本实例中，光子的符合计数与暗符合的比值CAR在0.86mW泵浦时可以达到161.对于标记光源来说需要计算一下光子源的标记效率，该公式中Ncc表示在设定功率下符合计数值，Ns为在设定功率下信号光子的单路计数，Ni为设定功率下闲频光子的单路计数，该标记效率通过优收集参数可以达到更高的水平。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.双色标记光子源产生模块，其特征在于，包括在光路上依次设置的用于调节输入脉冲光的偏振态和聚焦的光片组件、第三准相位匹配晶体PPKTP3，所述光片组件输入端输入设定波长的第三泵浦光，第三泵浦光经过第三准相位匹配晶体PPKTP3的自发产量下转换成一对信号光子和闲频光子，所述信号光子和闲频光子的波长和带宽符合能量守恒和动量守恒公式，经过转换为：
ωp＝ωs+ωi (1)
Δk＝kp-ks-ki+2π/Λ＝0 (2)
其中kq＝2πnq/λq(q＝p,s,i)，kp、ks、ki分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波矢，Λ为第三准相位匹配晶体PPKTP3的极化周期，ωp、ωs、ωi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的振动频率，np、ns、ni分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子在准相位匹配晶体内的折射率，λp、λs、λi分别为第三泵浦光、信号光子和闲频光子的波长，根据振动频率即可求得信号光子和闲频光子的带宽。
2.根据权利要求1所述的双色标记光子源产生模块，其特征在于，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3为准相位匹配的二类相位匹配晶体。
3.根据权利要求1所述的双色标记光子源产生模块，其特征在于，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3的两个端面均镀有第三泵浦光、信号光子和闲频光子对应的三个波长的增透膜。
4.根据权利要求1所述的双色标记光子源产生模块，其特征在于，所述光片组件包括设置在光路上的调偏单元和聚焦单元。
5.根据权利要求1所述的双色标记光子源产生模块，其特征在于，模块还包括温控炉，所述第三准相位匹配晶体PPKTP3设置在温控炉内。
6.包括权利要求1-5任意一项所述的双色标记光子源产生模块的双兼容通信装置，其特征在于，还包括光子接收模块，光子接收模块包括第二双色镜DM2、第一路通信组件、第二路通信组件，所述第二双色镜DM2将信号光子和闲频光子发射到第一光支路和第二光支路内，分别对应传输到第一路通信组件和第二路通信组件中；所述第一路通信组件包括设置在第一光支路上的滤除第三泵浦光的长通滤波器LPF、第二准直组件；所述第二路通信组件包括设置在第二光支路上的滤除第三泵浦光的带通滤波器BPF、第三准直组件。
7.根据权利要求6所述的双兼容通信装置，其特征在于，所述光子接收模块还包括符合计数单元，所述符合计数单元包括第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2、符合计数仪；第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2对应设置在第一光支路和第二光支路输出端处，第一单光子探测器SPD1和第二单光子探测器SP2的输出端分别与符合计数仪连接。
8.根据权利要求6所述的双兼容通信装置，其特征在于，所述装置还包括倍频模块，所述倍频模块包括沿着光路依次设置的第一泵浦光源Laser、传输调光单元、第一倍频单元、第一双色镜DM1、第二倍频单元，所述第一倍频单元和第二倍频单元均包括起到聚焦作用的透镜和周期性极化晶体。
9.根据权利要求8所述的双兼容通信装置，其特征在于，所述第一倍频单元和第二倍频单元中的周期性极化晶体为一型相位匹配的周期性极化晶体。
10.根据权利要求8所述的双兼容通信装置，其特征在于，所述第一泵浦光源Laser输出1560nm的泵浦光，所述第一倍频单元输出780nm的二倍频光，第二倍频单元输出390nm的四倍频光，四倍频光作为第三泵浦光依次通过第一准直传输组件、光片组件后传输到第三准相位匹配晶体PPKTP3内，所述第一准直传输组件包括紫光单模光纤SMF和分别设置在紫光单模光纤SMF两端的第二准直单元和第三准直单元。
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