CN111736405A - 一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统，属于量子信息领域。该系统包括圆形空气洞超构材料、两个窄带连续可调谐激光器、两个偏振控制器、分束器、光放大器、陷波滤波器、带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪。其中超构材料包括由多个带有圆柱形空气洞的介质单元构成的光波导，其横截面仅为单周期结构，以及位于光波导两侧的光子带隙结构，可实现超低损耗的零折射率性能；光波导可采用直线型或弯曲型光波导。本发明利用超低损耗的零折射率超构材料从物理上实现了量子纠缠光源，该光源具有高转换效率带宽大、集成度高和稳定性强的特性。

Description

一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统。

背景技术

量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，利用量子力学系统可实现新形式的通信、计算和测量。两个光子相互纠缠形成的纠缠光子对具有如下物理特性：当两个光子互相纠缠，无论这两个光子相距多远，通过对其中一个光子的测量都可以在瞬时得到另一个光子的状态。为了大规模的实现量子信息系统，亟需可靠、合算的纠缠光子源。进一步地，集成纠缠光子源可将光量子态的产生小型化并集成到芯片上，因此得到了长足的发展。

为了实现大规模的光学量子信息系统，亟需可靠、低成本的光学量子器件，特别是纠缠光子对产生系统。在集成量子光学中，产生纠缠光子的物理过程包括非线性材料中的参量过程(比如自发四波混频)和具有光学活性的量子点中的双激子-激子级联。与量子点相比，非线性材料具有以下优点：纠缠度高、发射波长灵活、能在室温下工作，因此取得了更为广泛的应用。在众多集成量子光学材料平台中，绝缘硅因为其CMOS兼容性、高折射率差、高三阶非线性、低自发拉曼散射噪声，被广泛应用于制备片上纠缠光子对产生系统。

基于绝缘硅实现纠缠光子对产生系统的常规结构包括微纳波导和微环腔。微纳波导通过设计其横截面尺寸在一定带宽内实现单模和近零群速度色散GVD，分别保证低传输损耗和自发四波混频的相位匹配，从而在该带宽内通过自发四波混频产生纠缠光子对。微环腔通过设计其横截面尺寸和周长，在一定带宽内实现单模，并在该带宽内一系列以自由光谱范围FSR为间隔的离散频率满足自发四波混频的相位匹配，从而在这些离散频率通过自发四波混频产生纠缠光子对。然而，由于微纳波导和微环腔的工作机理，它们都存在高转换效率带宽、集成度、稳定性方面的不足，参见表1：

(1)高转换效率带宽有限。为了实现高转换效率，必须实现低损耗和相位匹配。微纳波导通过设计其横截面尺寸，实现单模(低损耗)和近零群速度色散GVD(相位匹配)，从而通过延长满足相位匹配的光物相互作用长度提高转换效率。微纳波导较低的波阻抗Z＝1/n_mode(n_mode为微纳波导的模式折射率，微纳波导的磁导率μ＝1)限制了其非线性折射率n₂＝3·Z·Re(χ⁽³⁾)/8(Re(χ⁽³⁾)表示微纳波导三阶非线性系数的实部)和相应的转换效率。微环腔通过设计其横截面尺寸和周长，在泵浦频率附近的一系列以自由光谱范围FSR为间隔的频率处实现相位匹配(高转换效率)，从而直接限制了高转换效率带宽的连续性。

(2)集成度低。为了减小微纳波导和微环腔的弯曲损耗，必须确保其弯曲半径大于特定值(对于工作波长1500nm、90°弯曲的单模绝缘硅条形波导，弯曲半径大于5μm，弯曲损耗低于0.005dB)，从而限制了微纳波导的灵活性。此外，因为微环腔的自由光谱范围FSR与其周长成反比，微环腔的最小尺寸还受限于其可接受的最大FSR。

(3)稳定性低。因为微环腔的高Q值谐振对环境温度变化非常敏感，所以需要反馈式温控来保持其工作在谐振状态。

结构	高转换效率带宽	集成度	稳定性
				微纳波导	宽	中	高
微环腔	离散	低	低

表1.对比两种传统片上纠缠光源

此外，本申请人的科研团队已提出一种基于渐变折射率超构材料的纠缠光子对产生系统(申请号：201910426927.1)，该系统通过沿光传播方向逐渐改变片上狄拉克锥超构材料的单元结构尺寸来实现渐变折射率，利用光波在渐变超构材料中以高透射率传播时，其对应的电场分量持续增大并在折射率过零区域发散的特性，将电场或磁场聚集到折射率过零的一条宽度无限窄的带状区域，从而极强地增强局域场。结合该局域场增强效应和非线性晶体较大的三阶非线性系数，可提高自发四波混频产生纠缠光子对的转换效率。但是这种方法由于折射率过零区域的长度有限，所以光物相互作用长度很短，入射光不能和非线性介质发生长距离反应；同时由于各处折射率不同，面外辐射损耗的消除需要非常复杂的结构设计；且由于增强后的电场位于超构材料表面，很难将产生的非线性响应诱导出渐变超构材料的过零区域。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统。本发明通过控制超构材料单元结构的半径和空间周期，使得其等效折射率在较大的带宽内等于或接近为零，通过调节超构材料的厚度使得面外辐射损耗趋向最小化。本发明针对微环腔纠缠光子对产生系统只能在离散的频率处实现高转换效率的不足，通过超构材料的连续“超低损耗近零折射率”带宽实现连续高转换效率带宽；针对限制波导转换效率的低波阻抗，利用零折射率超构材料所固有的高波阻抗提高转换效率；针对限制波导和微环腔集成度的最小弯曲半径，利用零折射率波导的任意弯曲半径、角度、形状提高集成度；针对高Q值微环腔对环境温度变化的高敏感性，利用超构材料对环境温度的不敏感提高稳定性。由本发明超构材料构成的片上纠缠光源系统具有宽带高转换效率、集成度高和稳定性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统，其特征在于，包括：

圆形空气洞超构材料，为零折射率超构材料，包括沿光传播方向设置的光波导以及位于该光波导两侧的光子带隙结构，所述光波导与光子带隙结构高度相等；所述光波导为直线型光波导或弯曲型光波导，在所述光波导中产生四波混频效应；所述光波导包括多个相同的沿光传播方向排布且相接触的第一介质单元，在各第一介质单元内的中心处均分别设有第一圆形空气洞；所述光子带隙结构包括多个相同的沿与光传播方向平行和垂直排布且相接触的第二介质单元，在各第二介质单元内的中心处均分别设有第二圆形空气洞，所述光子带隙结构用于抑制面内辐射损耗；

第一窄带连续可调谐激光器和第二带连续可调谐激光器，分别用于产生不同波长的泵浦光；

第一偏振控制器和第二偏振控制器，分别与所述第一窄带连续可调谐激光器和所述第二带连续可调谐激光器相连，用于将相应波长的泵浦光调节到所述圆形空气洞超构材料所对应的偏振态；

分束器，同时与所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

与所述分束器输出端依次相连的光放大器和陷波滤波器，分别用于将所述分束器输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；所述陷波滤波器的出射光路一侧设置所述圆形空气洞超构材料，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；

位于所述圆形空气洞超构材料出射光路一侧依次相连的带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪；其中，所述带通滤波器用于滤除经所述圆形空气洞超构材料出射光中的部分泵浦光；所述阵列波导光栅用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；所述单光子探测器与时间间隔分析仪相连接来测量光子对符合计数率。

进一步地，所述光波导内各第一介质单元的边长和第一圆形空气洞的半径满足在能带结构中出现电单极子模式和横向磁偶极子模式的简并而形成的狄拉克锥色散；所述光子带隙结构内各第二介质单元的边长和第二圆形空气洞的半径满足使得电单极子模式和横向磁偶极子模式之间的带隙尽可能大以阻止光波的传播；各介质单元的高度满足光子束缚态条件，即在各介质单元的上下两个表面之间形成法布里-珀罗谐振腔从而将光在高度方向限制在光波导内部。

本发明的特点及有益效果：

本发明公布了一种基于圆形超低损耗零折射率媒质的高性能片上纠缠光源的物理实现方式：通过调节圆形结构的半径、厚度及空间周期实现无面外辐射损耗的零折射率超构材料，并通过光子带隙结构降低面内辐射损耗。该方式基于全电介质结构，从而避免了欧姆损耗。该方式采用了最小化的横截面积(横向为单周期结构)，可极大地提高入射光的功率密度，从而提高自发四波混频产生纠缠光子对的转换效率，实现低泵浦功率的片上纠缠光源系统。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统的结构示意图。

图2的(a)和(b)分别是本发明实施例中超低损耗零折射率圆形超构材料的结构和其局部放大示意图。

图3是本发明实施例中超低损耗零折射率圆形超构材料的另一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图，对本发明的具体实施例做出进一步说明：

实施例

参见图1，本发明实施例的一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统，该系统包括：

圆形空气洞超构材料8；

第一窄带连续可调谐激光器1和第二带连续可调谐激光器2，分别用于产生波长为λ₁和λ₂的泵浦光；

第一偏振控制器3和第二偏振控制器4，分别与第一窄带连续可调谐激光器1和第二带连续可调谐激光器2相连，用于将波长分别为λ₁和λ₂的泵浦光调节到圆形空气洞超构材料8所对应的偏振态；

分束器5，同时与第一偏振控制器3和第二偏振控制器4的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

与分束器5输出端依次相连的光放大器(如可采用掺铒光纤放大器)6和陷波(Notch)滤波器7，分别用于将分束器5输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；

圆形空气洞超构材料8位于陷波(Notch)滤波器7出射光路一侧，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对(如图2、3中附图标记“18”所示)。

位于圆形空气洞超构材料8出射光路一侧依次相连的带通滤波器9、阵列波导光栅10、单光子探测器11和时间间隔分析仪12；其中，带通滤波器9用于滤除经圆形空气洞超构材料8出射光中的部分泵浦光；阵列波导光栅10用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；单光子探测器11与时间间隔分析仪12相连接来测量光子对符合计数率——通过统计分析闲置和信号光子相对抵达时间，以检验闲置光子和信号光子是否成对产生，作为验证纠缠的基础。理想情况下，光子对符合计数率应在时间为零处达到峰值——闲置光子和信号光子有很大的几率同时抵达，从而证明闲置光子和信号光子成对产生。

本实施例中圆形空气洞超构材料8为零折射率超构材料，其结构参见图2中的(a)和(b)，包括沿光传播方向17设置的直线型光波导以及位于该直线型光波导两侧的光子带隙结构。直线型光波导由多个沿入射光方向排布且相接触的第一介质单元13组成，在各第一介质单元13内的中心处均分别设有第一圆形空气洞14。光子带隙结构由多个沿与光传播方向17平行和垂直排布且相接触的第二介质单元15组成，在各第二介质单元15内的中心处均分别设有第二空气洞16。直线型光波导是超构材料的核心部分，具有零折射率性质，四波混频效应在该结构中发生；光子带隙结构可抑制面内辐射损耗从而使得光波可以在直线型光波导中传播更长的距离，提高非线性转化效率。将光传播方向17作为x轴，圆形空气洞超构材料8平面内与入射光垂直的方向作为y轴，与圆形空气洞超构材料8平面垂直的方向作为z轴；圆形空气洞超构材料8的直线型光波导中，y方向仅有一个第一介质单元13的长度，x方向可设置任意长度，即直线型光波导的横截面为单周期结构；各第一介质单元13均为尺寸相同的正方形以保证零折射率超材料的各向同性，设其边长为a，厚度为h，各第一圆形空气洞14的半径为r。等效零折射率对应介质能带结构中布里渊区中心的狄拉克锥色散，因此只要在能带结构中实现电单极子和横向磁偶极子的模式简并从而形成狄拉克锥便可以得到等效的零折射率。

本实施例中直线型光波导内各第一介质单元13和第一圆形空气洞14的设计过程如下：

1)利用基于麦克斯韦方程组的有限元分析方法建立用于模拟所述直线型光波导的光子晶体模型，该光子晶体模型由在三维坐标系xyz的x、y方向均呈周期性排布的多个二维晶体单元构成，各二维晶体单元均分别包括第一介质单元和位于该第一介质单元中心处的第一圆形空气洞，第一介质单元和第一圆形空气洞的高度相等。各二维晶体单元中第一圆形空气洞的高度满足光子束缚态条件，即能够将光波完全束缚在相应晶体单元的第一圆形空气洞高度范围内，使所述零折射率超构材料布里渊区中心的横向磁偶极子品质因数最高。各晶体单元沿z方向的结构参数即高度均相等，在xy平面无缝拼接，即第一介质单元的边长即为光子晶体的周期；所述光子晶体模型中设定的参数包括：所述光子晶体模型的激励光波长和激励光的极化方向，根据所述第一介质单元和第一圆形空气洞的材料设定的晶体单元的结构参数初始值(包括第一介质单元的边长、第一圆形空气洞的半径、以及第一介质单元和第一圆形空气洞的高度)和光子晶体模型的边界条件。

在本发明实施例中，影响能带结构的两个主要因素是第一圆形空气洞14的半径r和第一介质单元13的边长a，为了在能带结构布里渊区的中心实现狄拉克锥色散，首先利用电磁仿真软件COMSOL调节这两个参数使得直线型光波导具备零折射率性质。考虑到集成光学中四波混频的波长范围，选择本发明实施例的激励光波长为1550纳米(光通信波段)。第一圆形空气洞14的半径r和第一介质单元13的边长a的初始值参考二维狄拉克锥超构材料的参数：r＝171.3纳米，a＝851纳米；直线型光波导高度的初始值与激励光波长相当即可，此处设定为1000纳米。

2)保持所有晶体单元的高度不变，调节第一圆形空气洞14的半径r和第一介质单元13的边长a使整个光子晶体模型在布里渊区的中心调节出狄拉克锥，得到满足零折射率的光子晶体模型。

本发明实施例利用电磁仿真软件COMSOL添加本征频率求解器求解所有的模式，将激励光的波矢设置在布里渊区的中心点k_x＝k_y＝0处，并设置需要的特征频率数为10，围绕设计的激励光波长1550纳米对应的光波频率进行搜索，选择与激励光频率最接近的10个特征频率。将求解出来的所有特征频率数据导出，并用MATLAB处理数据，通过选择求解出的10个解中对应波长在1450纳米和1600纳米之间的本征模式，可以画出初始参数对应的能带图。在r＝171.3纳米和a＝851纳米这一初始条件下，整个介质平板在布里渊区的中心处仍然有大约97纳米的光子带隙，逐渐改变r和a的取值，不断缩小调节范围以及步长，直到电单极子和横向磁偶极子简并在一起，即两者之间的能带带隙缩小至零，此时具有零折射率的光波导便已设计完成。本设计中的r的最终取值为161纳米，a的最终取值为872纳米。

3)保持步骤2)中满足零折射率的光子晶体模型的周期和沿x、y方向的结构参数不变，调节各晶体单元中第一介质单元13和第一圆形空气洞14的高度，建立晶体单元中第一圆形空气洞14高度和光子晶体模型的本征模式品质因数之间的关系；

本发明实施例中为了减小直线型光波导的面外辐射损耗，通过调节晶体单元的高度h在其上下两个表面之间形成法布里-珀罗谐振腔从而将光在z方向限制在直线型光波导内部，实现直线型光波导面外辐射损耗的最小化。为确定晶体单元的高度h的具体取值，同样利用COMSOL电磁仿真软件对高度参数h进行扫描。保持第一圆形空气洞的半径r和第一介质单元的边长a不变，设置扫描变量为晶体单元的高度h，初始取值设定为200纳米，此时只需求解布里渊区中心点k_x＝k_y＝0的本征模式，并计算电磁波频域物理场中已经设定好的每一个本征模式对应的品质因数值。

4)在设定的激励光波长附近和设定的激励光极化方向条件下，根据步骤3)建立的晶体单元中第一圆形空气洞14高度和本征模式品质因数之间的关系，筛选出横向磁偶极子的品质因数达到最大时的晶体单元中第一圆形空气洞14的高度，此时对应整个光子晶体模型的损耗最低。

任意一个厚度h即对应一个新的仿真模型，对每一个模型在布里渊区中心点都求解10个离激励波长1550纳米最近的解。在扫描的过程中发现，电单极子的品质因数一直比较高，横向磁偶极子的品质因数随厚度h的变化有较大的改变。在所有的扫描结果中挑选出符合激励光偏振且横向磁偶极子品质因数最高时对应的厚度参数，即可完成h参数的设计。本发明最终确定h的取值为220纳米。

光子带隙结构的设计过程和直线型光波导的设计过程大致相同，区别在于直线型光波导需要调节半径和边长使得在能带结构中出现带隙为0(模式简并)的狄拉克锥色散，而光子带隙结构中需要调节半径和边长使得电单极子模式和横向磁偶极子模式之间的带隙尽可能大以阻止光波的传播。为加工方便，光子带隙结构的高度和直线型光波导的高度设定为相同的取值。圆形空气洞超构材料可应用标准平面工艺(主要步骤包括电子束光刻或光刻，反应离子刻蚀)、聚焦离子束、激光直写等微纳加工工艺制备。

为增加光物相互作用长度，提高非线性转化效率同时增大超构材料的片上集成密度，参见图3，在另一实施例中，圆形空气洞超构材料8包括弯曲型光波导以及位于该弯曲型光波导两侧的光子带隙结构。由于零折射率超构材料能以任意角度、半径、形状弯曲，而不影响光在其中的传输特性，所以此处光波导可以任意角度弯曲。但为了占用最小的面积以实现最高的集成度，本实施例中采用180°弯折。通过将直线型光波导弯曲180°得到弯曲型光波导，从而实现更高的转化效率和更高密度的片上量子纠缠光源。图3中弯曲型光波导在y方向仅有一个第一介质单元13的长度，x方向可设置任意长度，沿x方向的两个光波导之间的距离(即弯折长度)应大于四个第一介质单元13的总长度，以此保证在y方向将光限制在光波导中。其余设计方法同图2中的设计方法。

需要说明的是，各超构材料中，不限于如图2和图3所示的直波导和含有一个180°弯曲的波导，还可根据实际需要设置不同长度、不同宽度、不同弯曲角度、不同弯曲数量的波导结构，例如可以在x和y方向设置更多的单元结构实现不同的长度和宽度，光波导也可以任意角度弯曲，还可添加多个弯曲等等。本实施例是在以上可选范围内的一种较优设计：考虑到非线性效应的强弱和入射光的功率密度成正比，宜最小化光波导垂直入射光的横截面积，因此本实施例中光波导的宽度仅为1个介质单元的宽度；考虑到集成度问题，为占用最小的片上面积，本实施例的光波导采用了180°弯折。

本发明通过在超构材料折射率近零波段实现自发四波混频，结合超构材料的超低传输损耗和近零折射率相位匹配，并基于超构材料所固有的较大波阻抗提高转换效率，在较大带宽内高效地通过自发四波混频产生纠缠光子对。因为零折射率超构材料能以任意角度、半径、形状弯曲，而不影响光在其中的传输特性，所以能实现极高的集成度。因为零折射率超构材料对环境温度不敏感，所以可实现极高的稳定性。

为了实现自发四波混频，本实施例系统中的直线型光波导和弯曲型光波导内的介质材料有较大选择范围，只要该材料具备较大的三阶非线性系数、较大的折射率并且在四波混频的波长范围内具有较低的损耗均可在实际加工中使用，例如硅、锗、氧化铝、硫化镉、金刚石、砷化镓、氟化锂、二氧化钛、硒化锌等等制成的晶体。这些材料可通过标准平面工艺(主要步骤包括电子束光刻或光刻，反应离子蚀刻)、聚焦离子束、激光直写、三维打印等常规的微纳加工工艺制备。为加工方便，光子带隙结构选用和光波导相同的材料。

上述制得的片上圆形空气洞超构材料的一种实现方式(标准平面工艺)如下：

1)利用化学气相沉积法(Chemical vaper deposition,CVD)在标准220nm绝缘硅上增加一层多晶硅，从而得到零折射率超构材料所需的硅膜厚度。通过降低CVD生长率，可提高非晶硅与单晶硅的晶格匹配，从而降低非晶硅与单晶硅的折射率差(△n≈0.01)和多晶硅的吸收损耗。

2)在绝缘硅晶圆上，使用旋涂仪将负胶(HSQ)旋涂在硅膜厚度合适的晶圆表面；

使用电子束光刻(E-beam lithography)将超构材料的形状写在光刻胶层中；

3)使用深反应离子蚀刻(Deep RIE)将未被光刻胶覆盖的硅层刻蚀掉；

4)使用缓冲氧化物蚀刻将硅顶部的光刻胶刻蚀掉，制得片上气孔阵列超构材料。

本发明系统实施例的其余组成器件均为本领域的市售产品，此处不再赘述。

本发明纠缠光子对产生系统的工作过程及原理如下：

本发明的纠缠光子对产生系统使用两个窄带连续可调谐激光器(1和2)作为泵浦光源，分别通过对应的偏振控制器(3和4)将泵浦光调节到圆形空气洞超构材料8所对应的偏振态后，两束泵浦光通过一个分束器5合并，再通过一个掺铒光纤放大器6放大，然后通过陷波滤波器7来抑制产生光子对波段的放大自发辐射噪声。泵浦光耦合进圆形超低损耗零折射率超构材料8后，该超构材料基于自发四波混频产生一对纠缠光子。超构材料的输出首先通过一个带通滤波器9以滤除部分泵浦光，再通过一个阵列波导光栅10将单光子与剩余部分泵浦光分隔。最后，利用与时间间隔分析仪12相连接的单光子探测器11来探测输出光子对的纠缠。

本发明通过调节超构材料单元结构的形状和尺寸实现能带结构中布里渊区中心的电单极子和横向磁偶极子的偶然简并从而得到材料的等效零折射率；通过调节超构材料的厚度使得介质平板的上下表面形成法布里-珀罗谐振腔从而消除零折射率超构材料面外的辐射损耗；通过在零折射率超构材料两侧添加光子带隙结构减小零折射率超构材料的面内辐射损耗；通过弯曲型光波导实现较高的集成度；根据Z＝1/n_mode(n_mode为模式折射率)，等效零折射率可以增大光波导的波阻抗，较大的波阻抗对应较大的三阶非线性系数，由此提高非线性转化效率。由本发明超构材料构成的纠缠光子对产生系统具有宽带高转换效率、集成度高和稳定性强的优点，可为中国下一代量子信息系统提供高性能集成量子光源。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于圆形空气洞超构材料的纠缠光子对产生系统，其特征在于，包括：

圆形空气洞超构材料，为零折射率超构材料，包括沿光传播方向设置的光波导以及位于该光波导两侧的光子带隙结构，所述光波导与光子带隙结构高度相等；所述光波导为直线型光波导或弯曲型光波导，在所述光波导中产生四波混频效应；所述光波导包括多个相同的沿光传播方向排布且相接触的第一介质单元，在各第一介质单元内的中心处均分别设有第一圆形空气洞；所述光子带隙结构包括多个相同的沿与光传播方向平行和垂直排布且相接触的第二介质单元，在各第二介质单元内的中心处均分别设有第二圆形空气洞，所述光子带隙结构用于抑制面内辐射损耗；

第一窄带连续可调谐激光器和第二带连续可调谐激光器，分别用于产生不同波长的泵浦光；

第一偏振控制器和第二偏振控制器，分别与所述第一窄带连续可调谐激光器和所述第二带连续可调谐激光器相连，用于将相应波长的泵浦光调节到所述圆形空气洞超构材料所对应的偏振态；

分束器，同时与所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

与所述分束器输出端依次相连的光放大器和陷波滤波器，分别用于将所述分束器输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；所述陷波滤波器的出射光路一侧设置所述圆形空气洞超构材料，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；

位于所述圆形空气洞超构材料出射光路一侧依次相连的带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪；其中，所述带通滤波器用于滤除经所述圆形空气洞超构材料出射光中的部分泵浦光；所述阵列波导光栅用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；所述单光子探测器与时间间隔分析仪相连接来测量光子对符合计数率。

2.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述光波导内各第一介质单元的边长和第一圆形空气洞的半径满足在能带结构中出现电单极子模式和横向磁偶极子模式的简并而形成的狄拉克锥色散；所述光子带隙结构内各第二介质单元的边长和第二圆形空气洞的半径满足使得电单极子模式和横向磁偶极子模式之间的带隙尽可能大以阻止光波的传播；各介质单元的高度满足光子束缚态条件，即在各介质单元的上下两个表面之间形成法布里-珀罗谐振腔从而将光在高度方向限制在光波导内部。

3.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述圆形空气洞超构材料内各介质单元均为正方形。

4.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述光波导的横截面为单周期结构。

5.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述弯曲型光波导在弯曲处的长度至少为四个所述第一介质单元的总长度。

6.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述弯曲型光波导具有1个180°的弯折。

7.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述光波导内的第一介质单元选用硅、锗、氧化铝、硫化镉、金刚石、砷化镓、氟化锂、二氧化钛或硒化锌制成的晶体；第二介质单元选用和第一介质单元相同材料制成的晶体。

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