CN111999959B - 基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种借助周期极化铌酸锂薄膜波导与反向传输自发参量下转换过程的有机结合实现的高效、窄带宽纠缠光子对产生装置。该纠缠光子对产生装置可以包括泵浦光源、纠缠光子对发生模块和光子探测模块，其中，泵浦光在纠缠光子对发生模块内发生反向传输自发参量下转换过程以产生包括沿相反方向传输的信号光子和空闲光子的偏振纠缠光子对，光子探测模块分别探测信号光子和空闲光子。

Description

基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置。

背景技术

纠缠光源是各种基础量子光学实验的基本工具，比如贝尔不等式测量、量子隐形传态、纠缠交换以及其他应用领域的研究如量子密码和量子精密测量等。产生纠缠光子对的方法主要包括：①原子系统中的四波混频过程；②基于三阶非线性光学现象，即光纤中的四波混频过程；③二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程。

目前最常用的产生纠缠光子对的方法是基于非线性光学晶体的二阶自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down Conversion,SPDC)过程：一个高频率的泵浦光子以某一概率自发地分裂成一对低频率的下转换光子，分别称作信号光子和空闲光子，该过程需要满足能量守恒和动量守恒条件，即光子对的总能量与总动量等于泵浦光子的能量与动量。

通常情况下，体块晶体的参量下转换效率都比较低，即纠缠光子对的产生效率较低。通过利用准相位匹配技术，对非线性光学晶体如铌酸锂(LN)、磷酸钛氧钾(KTP)等进行周期极化，同时结合光波导技术，可以将纠缠光子对的产生效率提高约4个数量级。此外，准相位匹配技术还具有光子频率可调谐以及允许光子对共线传输等优势；而光波导结构则保证了泵浦光子、信号光子和空闲光子之间严格的共线传输，同时由于光波导结构较强的光学限域效应，提高了纠缠光子对的收集效率，降低了空间相关性，而且基于波导器件的纠缠光源还可以集成到光纤中，大大减小了光源的体积。

基于周期极化铌酸锂(PPLN)和周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)波导的自发参量下转换过程产生纠缠光子对是目前最简单、高效的方法，然而由于准相位匹配技术和光波导技术而引入的问题是需要在空间上分离严格共线同向传输的纠缠光子对。当光子对的频率差异很大时，最简单的方法是采用二向色镜进行光子对分离，通过这种方法可以设计与制备频率非简并的偏振纠缠光源。然而，当需要产生频率简并的偏振纠缠光子对时，则需要利用分束器分离严格共线传输的正交偏振光子对，然后进行双重符合测量作为后置选择，这种方法将会造成50％的损耗；还有一种不需要后置选择过程的方法是采用干涉仪将两对正交偏振的光子组合在一起，但是这种干涉仪要求严格的相位控制和稳定性。

此外，这种基于自发参量下转换过程产生纠缠光子对的装置还存在带宽较宽的问题，通常在几个THz或者数百个GHz量级，这主要是由相位匹配条件决定的。这种宽带宽的纠缠光源不适用于某些需要窄带光子的应用，例如长距离光纤量子通信(几个GHz)、光子与原子和分子的强相互作用(MHz至几个GHz)等。

采用窄带滤波器进行无源滤波是获得窄带宽纠缠光源最直接的方法(例如参见201510160966.6号中国专利申请)，但是这种方法同时也会大幅度降低光子对的产生效率；通过谐振腔增强的自发参量下转换过程也可以获得高亮度、窄带宽的光子对，但是由于谐振腔的增益带宽较宽，导致多个谐振腔模式同时增益，因此需要额外的光学滤波来获得单模输出。

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明创新性地提出一种基于周期极化铌酸锂薄膜波导，结合反向传输自发参量下转换过程，高效地获得窄带宽纠缠光子对的装置。在这种构型中，信号光子与泵浦光子的传输方向相同，而与空闲光子的传输方向相反，从而降低了共线传输光子对分离的难度；其次，与同向传输自发参量下转换过程相比，反向传输自发参量下转换过程的特有的相位匹配条件使得反向传输光子对的带宽非常窄，比同向传输光子对的带宽窄约1个数量级，从而能够提供窄带宽的纠缠光子对，从而提供了更为广阔的应用前景。

本发明涉及一种基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置，其包括泵浦光源、纠缠光子对发生模块和光子探测模块，其中：

所述泵浦光源被配置用于提供泵浦光；

所述纠缠光子对发生模块被配置用于使所述泵浦光发生反向传输自发参量下转换过程以产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包括沿相反方向传输的信号光子和空闲光子；

所述光子探测模块被配置用于分别探测所述信号光子和所述空闲光子。

进一步地，所述纠缠光子对发生模块包括脊型的周期极化铌酸锂薄膜波导。优选地，所述周期极化铌酸锂薄膜波导具有小于1μm的一阶准相位匹配极化周期；并且/或者，所述泵浦光的波长为780nm。

进一步地，所述光子探测模块包括第一光学元件、第二光学元件、第一探测单元和第二探测单元；所述第一光学元件被配置成将所述信号光子朝向所述第一探测单元传输；所述第一探测单元被配置成对所述信号光子进行探测；所述第二光学元件被配置成将所述空闲光子朝向所述第二探测单元传输；所述第二探测单元被配置成对所述空闲光子进行探测。

更进一步地，所述光学元件包括二向色镜；并且/或者，所述探测单元包括单光子探测器。

进一步地，所述光子探测模块还包括滤波单元，其被配置成对所述信号光子和所述空闲光子中的至少一个进行滤波。

进一步地，本发明的窄带宽纠缠光子对产生装置还包括用于为所述泵浦光提供强度调节和偏振控制的泵浦光调节模块。

更进一步地，所述泵浦光调节模块包括光衰减器和偏振控制器。

进一步地，本发明的窄带宽纠缠光子对产生装置还包括符合计数模块，用于根据所述光子探测模块的探测结果计算符合计数。

进一步地，所述泵浦光源包括单频连续或脉冲激光器。

进一步地，所述周期极化铌酸锂薄膜波导包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构、中间的SiO₂绝缘层以及最下层的衬底，所述周期极化铌酸锂薄膜波导结构具有在经周期极化的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导结构

进一步地，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅。并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有0.5-10μm的厚度，所述脊型波导具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，所述SiO₂绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。

图1示出了用于本发明的周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构示意图；

图2(a)-(c)示出了反向传输自发参量下转换过程的原理；

图3示出了根据本发明的基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置的一种示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

本发明涉及一种新的纠缠光子对产生方案，其中首次提出将周期极化铌酸锂薄膜波导与反向传输自发参量下转换过程进行有机的结合，用以产生窄带宽且易空间分离的纠缠光子对。

图1示出了一种用于本发明的纠缠光子对产生装置中的周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构示意图。

如图1所示，该铌酸锂单晶薄膜波导可以包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构，其具有通过干法刻蚀、飞秒激光直写或精密金钢石刀切割等技术在经周期极化的铌酸锂单晶薄膜上形成的脊型波导结构。

周期极化铌酸锂薄膜波导结构的下层为SiO₂绝缘层；SiO₂绝缘层形成于衬底上。在本发明中，该衬底可以是铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅等同类衬底。

在本发明的优选示例中，铌酸锂薄膜可以具有0.5-10μm的厚度，脊型波导可以具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，SiO₂绝缘层可以具有≥1μm的厚度，最下层的衬底可以具有≥100μm的厚度。

图2(a)-(c)示出了本发明的纠缠光子对产生装置中的反向传输自发参量下转换过程的基本原理。

从图2(a)中可以看到，在反向传输自发参量下转换过程中，由泵浦光子经下转换过程产生的信号光子与泵浦光子的传输方向相同，而产生的空闲光子与泵浦光子和信号光子的传输方向相反。

由此，即使在生成频率简并的偏振纠缠光子对时，由于信号光子和空闲光子具有相反的传输方向，这使得在空间上分离严格共线传输纠缠光子对的难度得以大大降低。

图2(b)和(c)示出，在反向传输自发参量下转换过程中，仍然需要满足能量守恒与动量守恒条件。根据动量守恒条件可知，反向传输过程中信号光子和空闲光子的动量相互抵消，泵浦光子的动量完全通过准相位匹配补偿，这种反向传输过程的相位匹配条件会使自发参量下转换过程的转换带宽变得非常窄，即产生的反向传输光子对的带宽变得非常窄，比同向传输光子对的带宽窄约1个数量级，两者的比值是(v_s ^-1-v_i ^-1)/(v_s ^-1+v_i ^-1)，其中v_s和v_i分别表示信号光和空闲光的群速度。

本发明人通过进一步研究发现，由于在反向传输自发参量下转换过程中，泵浦光子的动量需要完全通过准相位匹配补偿，因此，要实现反向传输自发参量下转换过程，一阶准相位匹配光栅的极化周期需要特别小，通常应当小于1μm。

然而，利用传统的体块晶体材料难以实现1μm以下级别的极化周期。因此，本发明首次提出将铌酸锂薄膜材料应用于实现周期极化铌酸锂(PPLN)波导，从而形成一种周期极化铌酸锂薄膜波导结构。在这种周期极化铌酸锂薄膜波导结构中，可以通过减小反转畴的纵向反转深度，抑制反转畴的过度横向扩张，实现1μm以下周期的均匀周期极化(一阶准相位匹配极化)。

图3示出了根据本发明的纠缠光子对产生装置的一种示例性实施例，其中借助周期极化铌酸锂薄膜波导与反向传输自发参量下转换过程的有机结合，产生窄带宽且空间易于分离的偏振纠缠光子对。

如图3所示，本发明的纠缠光子对产生装置可以包括泵浦光源1，其用于生成泵浦光。

根据本发明，泵浦光源1生成的泵浦光可以为单频连续激光或脉冲激光的形式。因此，在一种实施方案中，泵浦光源1可以包括单频连续或脉冲激光器11。

可选地，泵浦光可以具有780nm的波长。

如图所示，本发明的纠缠光子对产生装置还可以包括泵浦光调节模块2，用于对泵浦光源1提供的泵浦光提供强度调节和偏振控制，以使其光学参数适应在周期极化铌酸锂薄膜波导中发生反向传输自发参量下转换过程的要求。

在一种实施方案中，如图3所示，泵浦光调节模块2包括光强调节单元21和偏振控制单元22。

在本发明中，光强调节单元用于调节泵浦光的功率，例如使泵浦光的功率衰减到单光子水平(即每个脉冲平均光子数为0.1个)。

作为示例，光强调节单元21可以包括可调光衰减器(VATT)，其例如可以是机械式的。

在本发明中，偏振控制单元用于调节泵浦光的偏振态，以使其偏振态与PPLN波导的Ⅱ型参量下转换过程形成匹配。

作为示例，偏振控制单元22可以包括偏振控制器(PC)。

继续参见图3，本发明的纠缠光子对产生装置还可以设置有纠缠光子对发生模块3，其用于允许泵浦光发生反向传输自发参量下转换过程，从而产生沿相反方向传输的信号光子和空闲光子。

具体而言，纠缠光子对发生模块3可以包括基于周期极化铌酸锂薄膜的脊型波导，其例如可以通过高精密切割技术、干法刻蚀技术、金属掩模辅助的研磨抛光技术等来制备获得。

在本发明中，该基于周期极化铌酸锂薄膜的脊型波导可以具有小于1μm的极化周期。

作为示例，当波长为780nm的泵浦光进入基于周期极化铌酸锂薄膜的脊型波导3时，可以在其内发生Ⅱ型参量下转换过程，从而产生波长同为1560nm且偏振态相互正交的纠缠光子对，其中信号光子与空闲光子的传输方向相反。

在本发明中，纠缠光子对产生装置还可以包括光子探测模块4，其用于对纠缠光子对发生模块3输出的信号光子和空闲光子分别进行探测。

作为示例，如图3所示，光子探测模块4可以包括第一光学元件41、第二光学元件42、第一探测单元43和第二探测单元44。其中，第一光学元件41用于将纠缠光子对发生模块3输出的信号光子朝向第一探测单元43传输，第一探测单元43用于对信号光子进行探测。第二光学元件42用于将纠缠光子对发生模块3输出的空闲光子朝向第二探测单元44传输，第二探测单元44用于对空闲光子进行探测。

在一种实施方式中，如图3所示，第一、第二光学元件41、42可以分别包括第一、第二二向色镜；第一、第二探测单元43、44可以分别包括单光子探测器D_s、单光子探测器D_i。

优选地，光子探测模块4还可以包括第一滤波单元45和第二滤波单元46，分别用于对信号光子和空闲光子进行滤波。作为示例，第一和第二滤波单元可以包括带通滤波器(BP)。

在本发明中，纠缠光子对产生装置还可以包括符合计数模块5，其用于根据光子探测模块4的输出对信号光子和空闲光子进行符合判决，输出符合脉冲，并统计单元时间内符合脉冲数，得到符合计数，由此验证光子对的纠缠特性。

作为示例，如图3所示，符合计数模块5可以包括符合计数器。

下面将结合图3所示的具体示例来进一步说明本发明的纠缠光子对产生装置的工作原理。

激光器11输出波长780nm的单频连续或脉冲激光信号，其将被用作为泵浦光。

泵浦光依次经过可调光衰减器21和偏振控制器22作用后，通过第二二向色镜42被耦合进入到基于周期极化铌酸锂薄膜的脊型波导(PPLN)3中。

其强度和偏振态得到合适控制的780nm的泵浦光在PPLN波导中做Ⅱ型参量下转换，产生波长1560nm、偏振态相互正交的纠缠光子对，其中信号光子与空闲光子沿相反的方向离开PPLN波导。

设置于PPLN波导输入侧的第二二向色镜42使空闲光子朝向第二单光子探测器44传输，设置于PPLN波导输出侧的第一二向色镜41使信号光子朝向第一单光子探测器43传输，从而轻易地实现信号光子和空闲光子的分离。

信号光子和空闲光子经带通滤波器(BP)滤波后，分别进入单光子探测器(D_s和D_i)进行探测。最后，由符合计数器接收单光子探测器输出的电信号，测量符合计数验证光子对的纠缠特性。

在本发明中，通过合理设计周期极化铌酸锂薄膜波导，以便泵浦光能够发生反向传输自发参量下转换过程，从而使得经下转换过程产生的信号光子和空闲光子具有相反的传输方向和窄的带宽，这使得在空间上分离严格共线传输纠缠光子对变得简单，尤其是可以借助更为简单的光学结构实现频率简并、偏振态正交的偏振纠缠光子对的分离，减少由于分束器存在带来的损耗，提高产生效率。此外，与传统的质子交换波导以及钛扩散波导相比，脊型波导结构的核壳折射率差异增大，光学限域效应增强，非线性转化效率提高，可以有效提高纠缠光子对的产生效率。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于周期极化铌酸锂薄膜波导的窄带宽纠缠光子对产生装置，其包括泵浦光源、纠缠光子对发生模块和光子探测模块，其中：

所述泵浦光源被配置用于提供泵浦光；

所述纠缠光子对发生模块被配置用于使所述泵浦光发生反向传输自发参量下转换过程以产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包括沿相反方向传输的信号光子和空闲光子；

所述光子探测模块被配置用于分别探测所述信号光子和所述空闲光子；

所述纠缠光子对发生模块包括脊型的周期极化铌酸锂薄膜波导，其具有小于1μm的一阶准相位匹配极化周期；

所述光子探测模块包括第一二向色镜、第二二向色镜、第一探测单元和第二探测单元；

所述第二二向色镜设置于周期极化铌酸锂薄膜波导的输入侧以使空闲光子朝向第二探测单元传输，且所述泵浦光通过第二二向色镜被耦合进入周期极化铌酸锂薄膜波导；

所述第一二向色镜设置于周期极化铌酸锂薄膜波导的输出侧以使信号光子朝向第一探测单元传输；

所述第一探测单元被配置成对所述信号光子进行探测；

所述第二探测单元被配置成对所述空闲光子进行探测。

2.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述泵浦光的波长为780nm。

3.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述探测单元包括单光子探测器。

4.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述光子探测模块还包括滤波单元，其被配置成对所述信号光子和所述空闲光子中的至少一个进行滤波。

5.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其还包括泵浦光调节模块，所述泵浦光调节模块具有用于为所述泵浦光提供强度调节的强度调节单元和用于为所述泵浦光提供偏振控制的偏振控制单元。

6.如权利要求5所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述强度调节单元包括光衰减器；以及/或者，所述偏振控制单元包括偏振控制器。

7.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其还包括符合计数模块，用于根据所述光子探测模块的探测结果计算符合计数。

8.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述泵浦光源包括单频连续或脉冲的激光器。

9.如权利要求1所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述周期极化铌酸锂薄膜波导包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构、中间的SiO₂绝缘层以及最下层的衬底，所述周期极化铌酸锂薄膜波导结构具有在经周期极化的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导结构。

10.如权利要求9所述的窄带宽纠缠光子对产生装置，其中，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅；并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有0.5-10μm的厚度，所述脊型波导具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，所述SiO₂绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。

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