CN110716365A - 一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，包括：可调谐脉冲激光器、偏振控制器、二向色镜、双波长偏振分束器、双波长半波片、反射镜、消色差非球面镜组、周期极化波导样品和群速度补偿晶体；所述可调谐脉冲激光器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接；靠近所述偏振控制器的输出端一侧设有所述二向色镜；所述二向色镜输出端与所述偏振分束器输入端相连接；所述偏振分束器有两个输出端，分别与两个所述反射镜输入端相连接；两个反射镜输出端为所述消色差非球面镜组；所述消色差非球面镜组中的两个非球面镜之间设有所述周期极化波导样品。本申请所提供的制备装置，能够有效解决现有纠缠源制备装置产生光子态纯度低问题。
Description
技术领域
本申请涉及光学设备技术领域，尤其涉及一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置。
背景技术
“纠缠”的概念最早在1932年由爱因斯坦等人提出，在量子信息学中处于核心地位，为量子基本理论验证及众多量子信息应用中的关键资源。纠缠光子的一个重要品质是决定光子间干涉可见度的纯度。而光子间干涉是实现例如量子隐形传态、线性光学量子计算等应用中必不可少的一步。因此产生纯度高的纠缠光子是必要的。
目前制备纠缠光子源的主要办法是利用非线性晶体自发参量下转换过程，在此过程中，一个泵浦光子湮灭变为纠缠的信号光子和闲频光子。但由于自发参量下转换过程必须满足能量守恒及动量守恒条件，普通的纠缠光子两光子间是频率关联的，对其中一个光子的投影必然导致另一光子在频率上形成混态，降低干涉可见度，进而影响量子信息应用中的许多性能，例如在量子隐形传态中被传播态的保真度。传统产生频率解关联纠缠光子的方法是通过能量守恒条件与动量守恒条件的相互匹配。这样产生的光子不仅带宽很宽，在百GHz量级并且由于需要特定的匹配波段十分固定，无法灵活的调谐。
发明内容
本申请提供了一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，以解决现有频率解关联纠缠源制备装置产生光子带宽宽的问题。
本申请实施例提供了一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：可调谐脉冲激光器、偏振控制器、二向色镜、偏振分束器、双波长半波片、反射镜组、消色差透镜组、和周期极化波导样品；
所述可调谐脉冲激光器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接；
靠近所述偏振控制器的输出端一侧设有所述二向色镜，所述二向色镜将透过波长为900纳米以下的光并反射波长为900纳米以上的光；
所述二向色镜的透过端连接所述偏振分束器，所述偏振分束器有四个端口，其中第一端口输入的光于第二端口输出水平偏振光，第三端口输出竖直偏振光；两输出端分别连接所述反射镜组输入端，其中双波长偏振分束器第三端口与所述反射镜之间的光线传播路径上设有所述双波长半波片；
所述反射镜组输出端分别与所述消色差透镜组输入端相连接，且所述反射镜组输出的光线分别与所述消色差非球面镜组中非球面镜的主光轴相平行；
所述消色差非球面镜组中的两个非球面镜之间设有所述周期极化波导样品。
可选地，所述装置还包括：表征设备；
所述表征设备包括：双折射晶体、半波片组、偏振分束器组、布拉格光栅组、单光子探测器组和计算机；
所述双折射晶体输入端与偏振分束器第四端口连接，所述双折射晶体输出端与所述半波片组中的第二半波片输入端连接；
所述半波片组中的第一半波片设置于所述二向色镜的光反射路径上；
靠近所述第一半波片和所述第二半波片的光线传出侧分别设有所述偏振分束器组中的第一偏振分束器和第二偏振分束器；
靠近所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器的光线传出侧分别设有所述布拉格光栅组中的第一布拉格光栅和第二布拉格光栅；
靠近所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅的光线传出侧分别设有所述单光子探测器组中的第一探测器和第二探测器；
所述单光子探测器组与所述计算机连接。
可选地，所述周期极化波导样品为采用非线性晶体所制成波导样品，所述非线性晶体包括采用磷酸钛磷钾、磷酸二氢钾或铌酸锂等所制成的非线性晶体。
可选地，所述周期极化波导样品采用钛扩散磷酸钛氧钾波导样品。
可选地，所述周期极化波导样品为超短周期结构，周期设计满足反向相位匹配的自发参量下转换过程，
可选地，所述周期极化波导样品的设计满足下式，
其中，所述Λ代表周期，所述kp代表泵浦光波矢，所述ks代表信号光波矢，所述ki代表闲频光波矢，所述n代表相位匹配级数，通常情况下取值可以为3。
可选地，所述可调谐激光器采用776.7nm皮秒激光器。
可选地，所述双折射晶体对于水平偏振光和竖直偏振光有不同的折射率。
由以上技术可知，本申请提供了一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：可调谐脉冲激光器、偏振控制器、二向色镜、偏振分束器、双波长半波片、反射镜组、消色差透镜组、和周期极化波导样品；所述可调谐脉冲激光器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接；靠近所述偏振控制器的输出端一侧设有所述二向色镜，所述二向色镜的透过端连接所述偏振分束器，所述偏振分束器两输出端分别连接所述反射镜组输入端；所述反射镜组输出端分别连接所述消色差透镜组，且所述反射镜组输出的光线与所述消色差非球面镜组中非球面镜的主光轴相平行；所述消色差非球面镜组中的两个非球面镜之间设有所述周期极化波导样品；靠近所述消色差非球面镜组的光线传出侧再次经过所述反射镜组并通过所述偏振分束器，分别于所述偏振分束器第四端口及第一端口输出；在所述偏振分数器的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜。使用时，可调谐脉冲激光器发出激光，并通过偏振控制器及二向色镜透射至偏振分束器上。通过偏振分束器，水平偏振光透射，竖直偏振光反射至放置在45度的双波长半波片上变为水平偏振光。两束光分别通过反射镜打在消色差非球面镜组上，消色差非球面镜组中的非球面镜对偏振光聚焦，并耦合进入周期极化波导样品中，经过周期极化波导样品的参量光再次自两端经过消色差非球面镜组的非球面镜的准直作用输出。准直后的参量光其中一路经过双波长半波片后经过偏振分束器，另一路直接经过偏振分束器。继续经过二向色镜的作用，最终得到纠缠源。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种现有周期的排列方式及光束方向示意图；
图3为本申请实施例提供的一种超短周期排列方式及光束方向示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本申请实施例提供的一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：
可调谐脉冲激光器1、偏振控制器2、二向色镜3、偏振分束器4、双波长半波片5、反射镜组6、消色差透镜组7、和周期极化波导样品8；
使用时，可调谐脉冲激光器1发出皮秒激光，并通过偏振控制器2及二向色镜3透射至偏振分束器4上；通过偏振分束器4时水平偏振光透射至第三端口(如附图1中③所示端口)，竖直偏振光反射至第四端口(如附图1中④所示端口)，并通过双波长半波片5变为水平偏振光。两路水平偏振光都经过反射镜组6入射至消色差非球面镜组7上，并通过两个消色差非球面镜将光聚焦至波导样品8中3中的一个非球面镜对偏振光聚焦，并耦合进入双周期波导样品4中，经过波导样品的两个方向的泵浦光各回产生一个沿泵浦光方向水平偏振的信号光和沿泵浦光反方向的竖直偏振的闲频光。经过样品后产生的参量光再次由消色差非球面镜组准直。第三端口输出的泵浦光产生的信号光及第四端口输出的泵浦光产生的闲频光都将经过双波长半波片5改变偏振。两路参量光再次经过偏振分束器4最终得到纠缠光子。
以往产生频率解关联的偏振纠缠光子都是基于正向相位匹配过程，要得到解关联光子需要得到恰好匹配的群速度，对于不同的晶体只有特定的波长可以满足要求，不够灵活。并且传统正向相位匹配过程产生的两个光子的带宽都很宽，无法满足诸多量子信息应用的要求。例如需要光与物质相互作用的量子存储所需光子的带宽限制在GHz量级及以下。传统过程产生的光子普遍在百GHz，反向相位匹配过程，由于匹配机制更加严苛，回产生自然窄带的光子，并且不需要特定的匹配波段，只需泵浦光带宽满足需求就可以产生频率解关联光子对，应用更加广泛且灵活。
因此，本申请针对正向匹配带宽宽的问题，我们采用反向匹配频率解关联纠缠源，能够明显压窄纠缠源带宽，满足更多应用的需求；并且针对正向频率解关联过程需要满足的条件，反向相位匹配产生频率解关联不需要寻找满足群速度匹配条件的特定波长，具有普适性，因此可以针对不同的应用设计不同的中心波长。并且由于周期极化晶体的相位匹配条件产生的双光子谱型为sinc2型，在不加滤波器的情况下，反向相位匹配产生的光子比正向相位匹配有更高的纯度。可见，本申请实施例所提供的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，可以任意设计波长，纠缠源带宽窄，纯度高。在制备出满足要求的非线性晶体后便可制备频率解关联偏振纠缠源。
同时，在纠缠源制备之后，还需要用表征设备对纠缠源的质量及各个参数进行表征和检测。因此，所述装置还包括：表征设备9；
所述表征设备9包括：双折射晶体91、半波片组92、偏振分束器组93、布拉格光栅组94、单光子探测器组95和计算机96；
所述双折射晶体91输入端与偏振分束器第四端口连接，所述双折射晶体91输出端与所述半波片组92中的第二半波片922输入端连接；
所述半波片组92中的第一半波片921设置于所述二向色镜3的光反射路径上；
靠近所述第一半波片921和所述第二半波片922的光线传出侧分别设有所述偏振分束器组93中的第一偏振分束器931和第二偏振分束器932；
靠近所述第一偏振分束器931和所述第二偏振分束器932的光线传出侧分别设有所述布拉格光栅组94中的第一布拉格光栅941和第二布拉格光栅942；
靠近所述第一布拉格光栅941和所述第二布拉格光栅942的光线传出侧分别设有所述单光子探测器组95中的第一探测器951和第二探测器952；
所述单光子探测器组75与所述计算机76连接。
具体地，制备出的纠缠源自偏振分束器4形成第一端口(如附图1中①所示端口)及第四端口两条光路出射，具体地，偏振分束器按照偏振的不同令光分开传播，第二端口(如附图1中②所示端口)进入的光水平偏振光进入第四端口，竖直偏振光进入第一端口。第三端口进入的光水平偏振光进入第一端口，竖直偏振光进入第四端口。由此，两路光为偏振纠缠。由第一端口输出的光经过二向色镜过滤掉泵浦光。由第三端口输出的光经过双折射晶体91补偿两路光之间的不同光程。而后两路光分别经过消色差半波片组92进而改变光的偏振方向，其中，消色差半波片组92与偏振分束器组93联合使用，用于在不同基上投影测量，表征偏振纠缠态。随后，光传播至布拉格光栅组94，经过布拉格光栅组94的滤波，进入单光子探测器组95，最后，将表征结果以符合(coincidence counts简称C.C.)测量的形式显示于计算机96上。
可选地，所述周期极化波导样品8采用钛扩散磷酸钛氧钾波导样品。
其中，周期极化波导样品8是利用金属热扩散工艺制备而成，具有工艺流程简单，可同时支持两种偏振光(H/V)等优点。
可选地，所述周期极化波导样品8有超短极化周期。
周期极化技术为利用室温极化技术，将磷酸钛氧钾晶体的铁电畴自发极化方向按照一定周期反转。区别于以往的方法，使磷酸钛氧钾晶体周期极化带来的倒戈矢满足反向相位匹配的过程。极化周期相对于正向要小很多，如图2，图3所示，周期与泵浦光、信号光、闲频光波矢有关。所述极化周期波导样品8的设计满足下式，
其中，所述Λ代表周期，所述kp代表泵浦光波矢，所述ks代表信号光波矢，所述ki代表闲频光波矢，所述n代表相位匹配级数，取值为3。
具体地，根据理论计算，一阶相位匹配周期＝0.4μm，三阶相位匹配周期＝1.3μm，泵浦光波长为776.7nm，位于简并点，参量光波长均为1553.5nm。周期极化波导样品温度为70℃。
可选地，所述可调谐脉冲激光器1采用776.7nm皮秒激光器。
可见，本申请提供了一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：可调谐脉冲激光器1、偏振控制器2、二向色镜3、偏振分束器4、双波长半波片5、反射镜组6、消色差透镜组7、和周期极化波导样品8；所述可调谐脉冲激光器1的输出端与所述偏振控制器2的输入端连接；靠近所述偏振控制器2的输出端一侧设有所述二向色镜3，所述二向色镜3的透过端连接所述偏振分束器4，所述偏振分束器4两输出端分别连接所述反射镜组6输入端；所述反射镜组6输出端分别连接所述消色差透镜组7，且所述反射镜组6输出的光线与所述消色差非球面镜组7中非球面镜的主光轴相平行；所述消色差非球面镜组7中的两个非球面镜之间设有所述周期极化波导样品8；靠近所述消色差非球面镜组7的光线传出侧再次经过所述反射镜组6并通过所述偏振分束器4，分别于所述偏振分束器第四端口及第一端口输出；在所述偏振分束器4的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜3。使用时，可调谐脉冲激光器1发出激光，并通过偏振控制器2及二向色镜3透射至偏振分束器4上。通过偏振分束器4，水平偏振光透射，竖直偏振光反射至放置在45度的双波长半波片5上变为水平偏振光。两束光分别通过反射镜6打在消色差非球面镜组7上，消色差非球面镜组7中的非球面镜对偏振光聚焦，并耦合进入周期极化波导样品8中，经过周期极化波导样品8的参量光再次自两端经过消色差非球面镜组7的非球面镜的准直作用输出。准直后的参量光其中一路经过双波长半波片5后经过偏振分束器4，另一路直接经过偏振分束器4。继续经过二向色镜3的作用，最终得到纠缠源。本申请所提供的一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，能够有效解决现有频率解关联纠缠源制备装置带宽宽的问题。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述装置包括：可调谐脉冲激光器(1)、偏振控制器(2)、二向色镜(3)、双波长偏振分束器(4)、双波长半波片(5)、反射镜组(6)、消色差透镜组(7)、和周期极化波导样品(8)；
所述可调谐脉冲激光器(1)的输出端与所述偏振控制器(2)的输入端连接；
靠近所述偏振控制器(2)的输出端一侧设有所述二向色镜(3)，所述二向色镜(3)将透过波长为900纳米以下的光并反射波长为900纳米以上的光；
所述二向色镜(3)的透过端连接所述偏振分束器(4)，所述偏振分束器(4)有四个端口，其中第一端口输入的光于第二端口输出水平偏振光，第三端口输出竖直偏振光；两输出端分别连接所述反射镜组(6)输入端，其中偏振分束器第三端口与所述反射镜(61)之间的光线传播路径上设有所述双波长半波片(5)；
所述反射镜组(6)输出端分别与所述消色差透镜组(7)输入端相连接，且所述反射镜组(6)输出的光线分别与所述消色差非球面镜组(7)中非球面镜的主光轴相平行；
所述消色差非球面镜组(7)中的两个非球面镜之间设有所述周期极化波导样品(8)。
2.根据权利要求1所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述装置还包括：表征设备(9)；
所述表征设备(9)包括：双折射晶体(91)、半波片组(92)、偏振分束器组(93)、布拉格光栅组(94)、单光子探测器组(95)和计算机(96)；
所述双折射晶体(91)输入端与偏振分束器第四端口连接，所述双折射晶体(91)输出端与所述半波片组(92)中的第二半波片(922)输入端连接；
所述半波片组(92)中的第一半波片(921)设置于所述二向色镜(3)的光反射路径上；
靠近所述第一半波片(921)和所述第二半波片(922)的光线传出侧分别设有所述偏振分束器组(93)中的第一偏振分束器(931)和第二偏振分束器(932)；
靠近所述第一偏振分束器(931)和所述第二偏振分束器(932)的光线传出侧分别设有所述布拉格光栅组(94)中的第一布拉格光栅(941)和第二布拉格光栅(942)；
靠近所述第一布拉格光栅(941)和所述第二布拉格光栅(942)的光线传出侧分别设有所述单光子探测器组(95)中的第一探测器(951)和第二探测器(952)；
所述单光子探测器组(75)与所述计算机(76)连接。
3.根据权利要求1所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述周期极化波导样品(8)为采用非线性晶体所制成波导样品。
4.根据权利要求1所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述非线性晶体包括采用磷酸钛磷钾、磷酸二氢钾或铌酸锂所制成的非线性晶体。
5.根据权利要求1所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述周期极化波导样品(8)为超短周期极化结构，周期设计满足反向相位匹配的自发参量下转换过程，
其中，所述Λ代表周期，所述kp代表泵浦光波矢，所述ks代表信号光波矢，所述ki代表闲频光波矢，所述n代表相位匹配级数。
6.根据权利要求1所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述可调谐脉冲激光器(1)采用可见光波段皮秒激光器。
7.根据权利要求2所述的基于反向相位匹配的频率解关联偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述双折射晶体(91)对于水平偏振光和竖直偏振光有不同的折射率。
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