CN111487832A - 一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：可调谐激光器、偏振控制器、消色差非球面镜组、双周期波导样品、群速度补偿晶体和二向色镜；所述可调谐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消色差非球面镜组，且所述偏振控制器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双周期波导样品；靠近所述消色差非球面镜组的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体；在所述群速度补偿晶体的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜。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率低的问题。
Description
本申请要求在2019年5月29日提交中国专利局、申请号为201910457551.3、发明名称为“一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及光学设备技术领域，尤其涉及一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置。
背景技术
“纠缠”的概念最早在1932年由爱因斯坦和薛定谔等人提出，纠缠是一个完全的量子现象，用经典物理的理论无法解释。纠缠在量子信息学中处于核心地位，因为纠缠是量子信息科学的关键资源。近年来，研究人员已经提出了能够应用于量子动力学(QED)、原子系统、离子阱、等离子激元、以及光学晶格系统中制备纠缠态的方案。
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。基于BBO晶体的方案通过改变泵浦光与II类BBO晶体之间的夹角，参量光圆锥面分布的张角会逐渐缩小，最终变成两个光束，该方法被称为Beam-like方法，可以用来提高参量光的收集效率和符合测试效率。但是，由于II类BBO晶体中产率交底，而且空间模式往往不是很好，难以实现高效收集。为了避免这一问题，现多采用周期极化晶体方案，对钽酸锂和铌酸锂以及磷酸氧钛钾晶体(KTP)等铁电晶体进行周期性畴反转，可以实现准相位匹配(QPM)。准相位匹配参量下转换过程具有高效、设计灵活、集成等优势，可以实现高效的偏振、路径、位置、动量等一些列纠缠态。但是，基于QPM技术的双向泵浦的sagnac方案，光路复杂，因此，对光路稳定性要求较高，同时，级联双周期方案需要对两个极化周期精心设计，以及波长并不能随意扩展，导致纠缠源的产率较低。
发明内容
本申请提供了一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，以解决现有纠缠源制备装置产率低的问题。
本申请实施例提供了一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：可调谐激光器、偏振控制器、消色差非球面镜组、双周期波导样品、群速度补偿晶体和二向色镜；
所述可调谐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消色差非球面镜组，且所述偏振控制器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双周期波导样品；
靠近所述消色差非球面镜组的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体；
在所述群速度补偿晶体的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜。
可选地，所述装置还包括：表征设备；
所述表征设备包括：消色差半波片组、相位调节器、偏振分束器组、布拉格光栅组、单光子探测器组和计算机；
所述消色差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，所述消色差半波片组中的第二半波片设置于所述二向色镜的光透射路径上；
所述二向色镜与所述第二半波片之间设有相位调节器；
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，所述双周期波导样品采用钛扩散铌酸锂波导样品。
可选地，所述双周期波导样品为包含两个不同周期结构，且所述两个不同周期结构同时存在于波导样品的每一个位置。
可选地，所述双周期波导样品的设计满足下式，
其中，所述Gmn代表倒格矢，所述Gm代表第一倒格矢，所述Gn代表第二倒格矢，所述∧1代表第一周期，所述∧2代表第二周期；
所述m取值为1，所述n取值为±1。
可选地，所述可调谐激光器采用704.2nm激光器。
可选地，所述偏振控制器采用光纤偏振控制器，且设置泵浦光偏振方向为水平偏振。
可选地，所述群速度补偿晶体为X切Y传，且所述群速度补偿晶体的晶体长度为所述双周期波导样品长度的一半。
可选地，所述相位调节器包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述半波片设置于两个四分之一波片之间。
由以上技术可知，本申请提供了一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：可调谐激光器、偏振控制器、消色差非球面镜组、双周期波导样品、群速度补偿晶体和二向色镜；所述可调谐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消色差非球面镜组，且所述偏振控制器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双周期波导样品；靠近所述消色差非球面镜组的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体；在所述群速度补偿晶体的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜。使用时，可调谐激光器发出激光，并通过偏振控制器透射至消色差非球面镜组上，消色差非球面镜组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中，经过双周期波导样品的参量光再次经过消色差非球面镜组的另一非球面镜的准直作用输出。准直后的参量光继续经过群速度补偿晶体和二向色镜的作用，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波导的非简并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示意图；
图3为本申请实施例提供的一种双周期排列方式示意图。
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波导的非简并偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：
可调谐激光器1、偏振控制器2、消色差非球面镜组3、双周期波导样品4、群速度补偿晶体5和二向色镜6；
所述可调谐激光器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消色差非球面镜组3，且所述偏振控制器2输出的光线与所述消色差非球面镜组3中非球面镜的主光轴相平行；
所述消色差非球面镜组3中的两个非球面镜之间设有所述双周期波导样品4；
靠近所述消色差非球面镜组3的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体5；
在所述群速度补偿晶体5的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜6。
使用时，可调谐激光器1发出激光，并通过偏振控制器2透射至消色差非球面镜组3上，消色差非球面镜组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，经过双周期波导样品4的参量光再次经过消色差非球面镜组3的另一非球面镜的准直作用输出。准直后的参量光继续经过群速度补偿晶体5和二向色镜6的作用，最终得到纠缠源。
以往产生偏振纠缠的方案都是基于体块非线性晶体，其产率，纠缠源亮度，集成度，系统稳定度都不如波导系统。在周期极化晶体中再引入波导工艺，将进一步提升纠缠光源的品质。由于波导能够束缚住泵浦光，提高光功率密度，而且产生的参量光也被束缚在同一根波导中，具有很好的空间单模特性，易于后续参量光的收集和处理。
因此，本申请针对体块纠缠源产率较低的问题，我们采用波导纠缠源，能够明显提高纠缠源亮度、集成度和稳定度；针对sagnac系统复杂的问题，我们制备的双周期纠缠源系统可以简单的单向泵浦，大大的降低了制备光路的复杂程度；针对级联双周期非线性晶体极化周期设计复杂的问题，我们的双周期非线性晶体的极化周期设计简单高效，而且具有波长可扩展性。由于非线性晶体的特性，每一个倒格矢提供一个角动量，为了满足单向泵浦的条件，就要在非线性晶体上引入两个计划周期，具体的极化周期可以通过计算得出。利用畴调控技术，在同一根波导中实现双周期结构，从而两个非线性过程可以同时满足，不需要精心设计极化周期间距，而且具有普适性，可以设计出多种非简并波长，纠缠光波段可以从见光到近红外均可实现。可见，本申请实施例所提供的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，可以任意设计，纠缠源产率高，亮度高，系统稳定性高。在制备出满足要求的非线性晶体后便可制备双周期偏振纠缠源。
本申请所提供的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置中，双周期方案中两个非线性过程真正不可区分。利用周期的调制，波长扩展容易，波长范围从可见光到近红外。不同于基于体块非线性晶体的偏振纠缠源系统，该发明结构简单，稳定，高效。产生的纠缠光子对产率高，亮度高。
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7；
所述表征设备7包括：消色差半波片组71、相位调节器72、偏振分束器组73、布拉格光栅组74、单光子探测器组75和计算机76；
所述消色差半波片组71中的第一半波片711设置于所述二向色镜6的光反射路径上，所述消色差半波片组71中的第二半波片712设置于所述二向色镜6的光透射路径上；
所述二向色镜6与所述第二半波片712之间设有相位调节器72；
靠近所述第一半波片711和所述第二半波片712的光线传出侧分别设有所述偏振分束器组73中的第一偏振分束器731和第二偏振分束器732；
靠近所述第一偏振分束器731和所述第二偏振分束器732的光线传出侧分别设有所述布拉格光栅组74中的第一布拉格光栅741和第二布拉格光栅742；
靠近所述第一布拉格光栅741和所述第二布拉格光栅742的光线传出侧分别设有所述单光子探测器组75中的第一探测器751和第二探测器752；
所述单光子探测器组75与所述计算机76连接。
具体地，制备出的纠缠源经过二向色镜6形成透射和反射两条光路，具体地，二向色镜按照波长的不同令光分开传播，波长为1335nm的光被反射，波长为1488.9nm的光被透射。两路光并分别经过消色差半波片组71进而改变光的偏振方向，其中，消色差半波片组71与偏振分束器组73联合使用，用于在不同基上投影测量，表征偏振纠缠态。需要注意的是，二向色镜6余第二半波片712之间设有相位调节器72，所述相位调节器72能够调节反射与透射两路的相对相位。随后，光传播至布拉格光栅组74，经过布拉格光栅组74的滤波，进入单光子探测器组75，最后，将表征结果显示于计算机76上。
可选地，所述双周期波导样品4采用钛扩散铌酸锂波导样品。
其中，双周期波导样品4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，所述双周期波导样品4为包含两个不同周期结构，且所述两个不同周期结构同时存在于波导样品的每一个位置。
周期极化技术为利用室温极化技术，将铌酸锂晶体的铁电畴自发极化方向按照一定周期反转。以往产生偏振纠缠光子对的调制方法为利用两个不同周期结构一前一后排列，如图2所示，周期100和周期200前后排列，两个周期之间没有并联，也就是级联的方法。区别于以往的方法，如图3所示，本申请提供的双周期结构，利用第二周期300对第一周期400的调制，使两个不同的周期结构同时存在与波导样品上的每一个位置，可同时支持两个非线性过程的发生。光在经过双周期波导样品上这些周期调制的区域时，同时发生两个非线性过程，从而产生纠缠光子对。
可选地，所述双周期波导样品4的设计满足下式，
其中，所述Gmn代表倒格矢，所述Gm代表第一倒格矢，所述Gn代表第二倒格矢，所述∧1代表第一周期，所述∧2代表第二周期；
所述m取值为1，所述n取值为±1。
具体地，根据理论计算，第一周期＝8μm，第二周期＝320μm，双周期波导样品温度为100℃。
可选地，所述可调谐激光器1采用704.2nm激光器。
可选地，所述偏振控制器2采用光纤偏振控制器，且设置泵浦光偏振方向为水平偏振。
可选地，所述群速度补偿晶体5为X切Y传，且所述群速度补偿晶体5的晶体长度为所述双周期波导样品4长度的一半。
可选地，所述相位调节器72包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述半波片设置于两个四分之一波片之间。
可见，本申请提供了一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：可调谐激光器1、偏振控制器2、消色差非球面镜组3、双周期波导样品4、群速度补偿晶体5和二向色镜6；所述可调谐激光器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消色差非球面镜组3，且所述偏振控制器2输出的光线与所述消色差非球面镜组3中非球面镜的主光轴相平行；所述消色差非球面镜组3中的两个非球面镜之间设有所述双周期波导样品4；靠近所述消色差非球面镜组3的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体5；在所述群速度补偿晶体5的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜6。使用时，可调谐激光器1发出激光，并通过偏振控制器2透射至消色差非球面镜组3上，消色差非球面镜组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，经过双周期波导样品4的参量光再次经过消色差非球面镜组3的另一非球面镜的准直作用输出。准直后的参量光继续经过群速度补偿晶体5和二向色镜6的作用，最终得到纠缠源。本申请所提供的一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，能够有效解决现有纠缠源制备装置产率低的问题。
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 (9)
1.一种基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述装置包括：可调谐激光器(1)、偏振控制器(2)、消色差非球面镜组(3)、双周期波导样品(4)、群速度补偿晶体(5)和二向色镜(6)；
所述可调谐激光器(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消色差非球面镜组(3)，且所述偏振控制器(2)输出的光线与所述消色差非球面镜组(3)中非球面镜的主光轴相平行；
所述消色差非球面镜组(3)中的两个非球面镜之间设有所述双周期波导样品(4)；
靠近所述消色差非球面镜组(3)的光线传出侧设有所述群速度补偿晶体(5)；
在所述群速度补偿晶体(5)的输出端，在光线传播路径上设有所述二向色镜(6)。
2.根据权利要求1所述的基于波导的非简并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(7)；
所述表征设备(7)包括：消色差半波片组(71)、相位调节器(72)、偏振分束器组(73)、布拉格光栅组(74)、单光子探测器组(75)和计算机(76)；
所述消色差半波片组(71)中的第一半波片(711)设置于所述二向色镜(6)的光反射路径上，所述消色差半波片组(71)中的第二半波片(712)设置于所述二向色镜(6)的光透射路径上；
所述二向色镜(6)与所述第二半波片(712)之间设有相位调节器(72)；
靠近所述第一半波片(711)和所述第二半波片(712)的光线传出侧分别设有所述偏振分束器组(73)中的第一偏振分束器(731)和第二偏振分束器(732)；
靠近所述第一偏振分束器(731)和所述第二偏振分束器(732)的光线传出侧分别设有所述布拉格光栅组(74)中的第一布拉格光栅(741)和第二布拉格光栅(742)；
靠近所述第一布拉格光栅(741)和所述第二布拉格光栅(742)的光线传出侧分别设有所述单光子探测器组(75)中的第一探测器(751)和第二探测器(752)；
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所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述双周期波导样品(4)采用钛扩散铌酸锂波导样品。
4.根据权利要求1所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述双周期波导样品(4)为包含两个不同周期结构，且所述两个不同周期结构同时存在于波导样品的每一个位置。
5.根据权利要求1所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述双周期波导样品(4)的设计满足下式，
其中，所述Gmn代表倒格矢，所述Gm代表第一倒格矢，所述Gn代表第二倒格矢，所述Λ1代表第一周期，所述Λ2代表第二周期；
所述m取值为1，所述n取值为±1。
6.根据权利要求1所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述可调谐激光器(1)采用704.2nm激光器。
7.根据权利要求1所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述偏振控制器(2)采用光纤偏振控制器，且设置泵浦光偏振方向为水平偏振。
8.根据权利要求1所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述群速度补偿晶体(5)为X切Y传，且所述群速度补偿晶体(5)的晶体长度为所述双周期波导样品(4)长度的一半。
9.根据权利要求2所述的基于波导的非简并偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述相位调节器(72)包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述半波片设置于两个四分之一波片之间。
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