CN112068336B - 一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片 - Google Patents

一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片 Download PDF

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Abstract

基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片包括泵浦光分束区域、周期极化区域、波导电光相位调制器、波导光路偏振分束器、动态电控光子延时器构成。泵浦光分束区域由Y分束器和相位调制器构成，实现对泵浦光的分束和相对相位调控。周期极化区域是由分开的两个波导上的周期性反转铁电畴组成，在两个波导中分别实现基于二阶非线性的参量下转换光子对。波导电光相位调制器是在波导上方制作电极，通过施加电场来改变波导的折射率进而调控光子的相位。波导光路偏振分束器实现不同偏振光子的分离，实现对两个波导中产生光子对的偏振分束操作。本发明提供一种芯片式的、稳定的、高亮度的、高纠缠度的、可动态切换的偏振纠缠输出装置。

Description

一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片
技术领域
本发明涉及量子信息技术、光电子技术和非线性光学领域，尤其是用集成光学技术和思路来实现芯片化的量子光源。
背景技术
纠缠是量子通信、量子计算等量子信息技术中的核心资源。所以如何制备纠缠光源，特别是可调控、高效、稳定、便携的纠缠光源一直是量子信息领域的研究难点和热点。历史上产生纠缠光子对的方法有：(1)原子级联跃迁[1]；(2)原子系统中的四波混频过程[2]；(3)硅基[3,4]或光纤中[5,6]的四波混频过程；(4)二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程[7,8]。其中原子级联跃迁过程在量子光学实验初期被采用，后来因为其产生的态不够理想而被放弃。现在人们多采用后面三种方案，而其中基于非线性晶体的二阶参量过程由于其产率高、装置简单成当前产生纠缠光子对最普遍的方法。在二阶非线性晶体中，一个高频泵浦光子会劈裂为一对低频的下转换光子，分别称为信号光子和闲置光子，也称双光子对。该过程需要满足能量守恒和动量守恒条件。按照动量守恒的实现条件来分，产生纠缠光子对的非线性晶体分为两类，一类是均匀的双折射晶体，另一种是周期极化晶体。周期极化晶体就是铌酸锂、钽酸锂等畴结构受到调制的人工非线性晶体，因为可以利用它的较大非线性系数，所以它可以产生高亮度的纠缠光子对[9-12]。特别是，加工成波导之后可以进一步提高产生效率[13]，比如发明人课题组在2014年完成的铌酸锂波导芯片上的路径纠缠光子态[14]，实现了高亮度的路径分离态和聚束态的切换，但是产生的光子都是同一偏振，不能产生偏振纠缠。
偏振纠缠是量子通信、量子计算最为广泛采用的一种偏振源，具有重要的应用前景。一般的偏振纠缠源是通过块状光学晶体的双折射匹配[15]、或者周期极化晶体中的共存双相位匹配来实现[16]，一般都需要在晶体后加上模式收集系统、偏振分束器[17]、二向色镜[18]等其他光学元件来辅助实现，导致纠缠光源产生光路一般都较为复杂、庞大、不稳定。同时，且现有方案的普遍缺点是：一种光路只能输出一种偏振纠缠，比如偏振纠缠态中的一个，到目前为止，还没有能够产生和动态调控偏振纠缠态比如一个芯片输出四个Bell基的设计被报道，而量子信息处理往往需要不同偏振纠缠态、以及偏振纠缠态的快速切换。以上需求促使人们去寻找芯片式的、动态可切换的偏振纠缠产生方法，这是传统实现方案都不能实现的。
参考资料:
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发明内容
本发明目的是，解决上面所提到的问题，提供一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片的设置方法，利用集成光学芯片的思路和技术来提升偏振纠缠光源的扩展性、集成度、稳定性、便携性等。
本发明的技术方案是：一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，包括依次相连的泵浦光分束区域、周期极化区域，和波导电光相位调制器、波导光路偏振分束器、动态电控光子延时器；泵浦光分束区域由Y分束器和相位调制器构成，实现对泵浦光的分束和相对相位调控或调制；周期极化区域是由分开的两个波导上的周期性反转铁电畴组成，在两个波导中分别实现基于二阶非线性的参量下转换光子对；波导电光相位调制器是在波导上方制作电极，通过施加电场来改变波导的折射率进而调控光子的相位；波导光路偏振分束器是利用波导多模干涉实现不同偏振光子的分离，实现对两个波导中产生光子对的偏振分束操作；动态电控光子时间延迟器是在周期极化区域的波导两侧施加电场周期性改变铌酸锂光轴方向进而调控光子的偏振态，实现对光子片上群速度延迟时间的调控，配置电控光路的状态，实现多种不同的偏振态输出结果，得到四个偏振纠缠态的输出。
在铌酸锂或钽酸锂铁电材料为基质材料的单片晶体上加工出波导干涉光路并对部分区域进行畴反转以及电光控制，实现四个偏振纠缠态的产生和动态切换；整个芯片依次分为四个区域，区域Ⅰ是对经典泵浦激光的处理，实现对泵浦光的分束和相位调制；区域Ⅱ是周期极化区域，也称非线性区，将上下两路泵浦光转化为偏振正交的光子对，光子对同时从上波导光路或下波导光路产生；区域Ⅲ是对纠缠光子对的处理，在波导偏振分束器上实现纠缠光子的多模干涉进而实现偏振分离，得到
Figure GDA0002751166540000041
的光子态；区域Ⅳ是动态电控光子延时器，在周期极化区域的波导两侧施加电场周期性改变铌酸锂光轴方向进而调控光子的偏振态，实现对不同偏振光子的时间延迟控制，通过这个电控延迟与区域I中电控泵浦光相位，实现芯片上任意偏振纠缠态的输出，即
Figure GDA0002751166540000042
Figure GDA0002751166540000043
和
Figure GDA0002751166540000044
包括四个Bell基
Figure GDA0002751166540000045
Figure GDA0002751166540000046
和
Figure GDA0002751166540000047
的输出。
由波导光路、周期极化区域、干涉光路、电光调控器基本功能单元构成；设有光纤2将泵浦激光输入到耦入波导3；泵浦激光然后经波导Y分束器分别输入到另外两根波导4、5)、再经由弯曲波导分别转至两根平行的泵浦光单模波导6、7；所述波导3、4、5、6、7都是针对泵浦激光波长的单模波导；之后设有过渡波导11、12分别将泵浦光单模波导6、7逐渐增宽至参量光波长的二单模波导13、14；在泵浦光二单模波导6、7上有三个电极8、9、10，通过铌酸锂Z方向电光效应来调节两路泵浦光之间的相位差；二单模波导13、14中设有周期极化区域15，将泵浦光转化为参量光子对；之后二单模波导13、14中产生的光子对都到达波导偏振分束器二平行波导16、17；偏振分束后的偏振纠缠光子对分别输出到第一与第二直条波导18、19中、再经由弯曲拐弯波导后到达第三与第四直条波导20、21中；第三与第四直条波导20、21包含三个周期极化区域30、31、32，第三直条波导20两侧有六个电极22、23、24、25、28、29，第四直条波导21两侧有两个电极26、27，第三、第四直条波导20、21上设有电光调制器实现光子偏振态和片上时间延迟的动态调控；第三直条波导上设置串联二个周期极化区域30、31、第四直条波导上设置一个周期极化区域32共三个周期极化区域30、31、32极化周期相同，施加Y方向电场，铌酸锂折射率椭球发生周期性偏转，对特定波长光子实现偏振转换，并经片上自由传播直条波导，弥补群速度失配引入的时间延迟，实现片上时间延迟的动态调控；
当制备
Figure GDA0002751166540000051
的光子态，需要将第三直条波导20电极22、24和第四直条波导21电极26电压设置为U伏，其它电极23、25、27、28、29均接地；配合区域Ⅰ对泵浦激光的处理；泵浦光单模波导6、7上电极8施加2π相位以内的某个电压，另二个电极(9、10)接地，调控泵浦激光相对相位φ，实现芯片上
Figure GDA0002751166540000052
的输出；
当制备
Figure GDA0002751166540000053
的光子态，需要将第三直条波导20上二个周期极化区域中二个电极22、28电压设置为2U伏，另有四个电极23、24、25、29接地；第四直条波导上一个电极26电压设置为U伏，另一电极电极27、31包含27、21接地；配合区域Ⅰ是对泵浦激光的处理；泵浦光单模波导6、7上电极8施加2π相位以内的某个电压，另二个电极9、10接地，调控泵浦激光相对相位φ，实现芯片上
Figure GDA0002751166540000054
的输出。
在波导光路中设置周期极化区域，所述周期极化包含一维周期结构、非周期结构、啁啾结构等所有一维极化序列以及其他可能的二维序列，周期极化区域发生的参量下转换过程包括简并和非简并两种情形，产生偏振正交的光子对；
在波导光路中设置偏振分束器，所述偏振分束器能够对产生的偏振正交的光子对进行处理，对两个偏振分别透射和反射；实现波导偏振分束器的方法包括多模干涉仪、模式转换干涉仪、混杂波导工艺偏振分束等以及由这些基本干涉仪组成的复杂光路。
芯片上包含多个电光调制器单元，达到控制光子相位、偏振态和时间延迟的目的；泵浦光相位调制电压施加采用推挽结构，在一路上增加相位的同时另一路等量减小，该相位调制器可以放置在波导偏振分束器之前的任意等效位置；动态电控光子时间延迟器的调制电压施加均采用对称式结构。
加工波导光路的方法包括钛、镍等金属离子扩散方法、化学离子交换方法、化学腐蚀方法、干法刻蚀方法以及机械加工方法。
芯片的基质材料是二阶非线性材料，包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等铁电材料以及他们的薄膜材料。
本发明采用波导光路和周期极化铌酸锂波导、电光调制器的集成。波导光路通过波导分束器将进入的泵浦激光进行分束，分束后的激光分别进入两个周期极化区域进行频率下转换在两路产生正交偏振光子对，两路的光子对随后继续进入波导偏振分束器、动态电控光子延时器进行处理，输出任意偏振纠缠态。通过芯片上内置的多个电光调制器来控制偏振纠缠态的产生和调节偏振纠缠两项之间的相位。
本发明的主要内容是以铌酸锂等铁电材料为基质材料进行波导加工并对部分区域进行极化，使得该芯片同时实现纠缠光子的产生、干涉和动态调控，将输入的经典光转化为可调控的量子态，不同的偏振纠缠态通过集成在芯片上的电光调制器完成；整个芯片依次分为四个区域，区域Ⅰ是对经典泵浦激光的处理，主要是对泵浦激光的分束和相位调制，区域Ⅱ是周期极化区域，偏振正交的参量下转换光子对同时从上波导光路或下波导光路产生。区域Ⅲ对纠缠光子对处理，在波导偏振分束器上实现纠缠光子的多模干涉，实现偏振分离。区域Ⅳ对偏振纠缠光子的偏振调控，实现片上不同偏振光子的时间延迟进而弥补因铌酸锂双折射引入的不同偏振群速度差异；最终上下两路输出不可区分的偏振纠缠态，即
Figure GDA0002751166540000061
和
Figure GDA0002751166540000062
对于具有相位差φ是通过区域Ⅰ的电极进行上下两路相对相位调制。电压施加采用推挽结构，在一路上增加相位的同时另一路等量减小。
本发明的关键之处是波导光路中设置周期极化区域，所述周期极化包含一维周期结构、非周期结构、啁啾结构等所有一维极化序列，其基质材料包括可以进行极化的铌酸锂材料、钽酸锂、磷酸钛氧钾等铁电材料。周期极化区域发生的参量下转换过程包括简并和非简并两种情形，产生纠缠光子；波导光路中设有偏振分束器与动态电控光子时间延迟器，能够对产生的纠缠光子进行进一步处理，波导光路中偏振分束器的设计包括多模干涉仪、模式转换干涉仪等以及由这些基本干涉仪组成的复杂光路。进一步的，加工波导光路的方法包括钛、镍等金属扩散方法、化学腐蚀方法、离子刻蚀以及机械加工方法。
本发明的有益效果：主要基于铌酸锂材料的几个特点：(1)铌酸锂材料具有较高的二阶非线性光学系数，且非线性系数可以进行人工调控，从而实现高效的准相位匹配光学频率转换如光学参量下转换过程，得到明亮的纠缠光子对，而且纠缠光子对的波长可以通过改变结构周期灵活设计；(2)铌酸锂材料具有较大的电光系数，可以实现快速准确的光子相位调控，调制速率一般为40GHz左右(实验室演示可达到100GHz[19])；(3)铌酸锂可以通过钛扩散或者离子刻蚀等方法加工成波导，这样可以进一步提高纠缠光子的产生效率，通过设计波导光路还可以实现线性量子计算，使得铌酸锂成为一个有潜力的量子信息处理平台。本发明正是基于铌酸锂的以上优点，设计了一种基于铌酸锂材料的基于周期极化波导的电控量子光源芯片，提供一种芯片化的、稳定的、便携的偏振纠缠光源。
附图说明
图1为本发明涉及的铌酸锂芯片结构示意图，包含泵浦光分束区域、周期极化区域、波导电光相位调制器、波导光路偏振分束器、动态电控光子延时器；
图2电光相位调制器截面图；
图3波导偏振分束器结构示意图；
图4动态电控光子时间延迟器截面图；
图5波导偏振分束器结构Rsoft软件模拟示意图(理论模拟)；
图6耦合区长度对偏振分束效果的影响(实验测试)；
图7动态电控光子时间延迟器偏振转换光谱(极化长度0.6cm，带宽4.4nm)；
图8动态电控光子时间延迟器偏振转换光谱(极化长度0.3cm，带宽8.9nm)；
图9极化周期与偏振转换波长对应关系；
图10参量下转换光谱(参量下转换区域长度1.67cm，带宽1.61nm)；
图11极化周期与参量下转换波长对应关系；
图12 800nm的偏振分束器分束效果；左右两图分别是TE和TM模式的分束效果
图13非全对称复合三波导偏振分束器；
图14非全对称复合三波导偏振分束器模拟示意图，，上图A是随着耦合长度增加能量转移情况，下图B指的是在两根波导中检测到的能量随着耦合长度的变化。
具体实施方式
下面是芯片结构的详细说明。以铌酸锂材料为例，设置了一种基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片。z-切铌酸锂基片上分为泵浦激光处理区域、周期极化区域，偏振分束区域和动态电控光子延时迟器四个区域。区域Ⅰ是对泵浦激光的处理，主要是对泵浦激光的分束和相位调制。区域Ⅱ是非线性区，上下两路中的周期畴反转铌酸锂结构可以将经典泵浦激光转化为简并的偏振正交光子对。区域Ⅲ是对偏振正交光子对的分离。区域Ⅳ是动态调控光子偏振态实现时间延迟，在周期极化波导Y方向施加电场，电光效应实现铌酸锂正负畴光轴旋转±θ角度，偏振正交光子经过一定长度的周期极化区域，偏转角度累加直至偏振方向由水平(竖直)偏振变成竖直(水平)偏振，变换偏振方向后的纠缠光子，经过特定长度自由传播的直条波导，补偿因铌酸锂双折射引入的群速度差。动态调控五组电极电压，光子对从上路或下路输出，组成四个偏振纠缠态，即
Figure GDA0002751166540000081
和
Figure GDA0002751166540000082
我们对图1芯片中各个单元进行标号。在z-切铌酸锂基片上制备波导光路、周期极化区域区域、偏振分束区域和动态调控光子延迟区域。铌酸锂芯片和输入光纤2以及输出光纤33、34相连接。经典泵浦激光1从光纤2输入，纠缠光子对从光纤33、34输出。铌酸锂基片35为z-切x-传，主要包含波导光路和周期极化区域区域15、30、31、32。当泵浦激光1经由光纤2输入后进入输入波导3。然后被波导Y-分束器一分为二，分别进入波导4和5。波导3、4、5都是针对抽运激光波长的单模波导。4、5波导的夹角小于1°。过渡波导11、12分别将抽运光波导6、7转换到参量光波长的单模波导13、14。在6、7波导上有8、9、10三个电极，用来调节两路泵浦之间的相位差。在波导13、14上有相同周期的周期极化区域15。波导13、14所在区域进行了周期极化，将泵浦激光转化为偏振正交光子对。之后光子对到达波导偏振分束器进行偏振分离，波导偏振分束器中平行波导16、17的间隔为零，长度设计为两偏振模自镜像长度的公倍数(对于波导13，水平偏振光自成像在波导16从而进入波导18，垂直偏振光成像在波导17从而进入波导19；对于波导14，水平偏振光成像在波导17从而进入波导19，垂直偏振光成像在波导18从而进入波导18)。偏振分离后的纠缠光子在波导18和19中。图1中所有波导拐弯实际上都应该用具有一定曲率的弯曲波导实现，这里简化为钝角拐弯作示意。之后纠缠光子进入波导20和21。在波导20上，周期极化区域30、32(极化周期相同，周期极化区域32长度为周期极化区域30的一半)与三组电极22和23、24和25、28和29，组成动态调控光子延迟器，其中电极22、24、32接正电压，电极23、25、29接地。在波导21上，周期极化区域31(极化周期、长度与周期极化区域30相同)与电极26和27，组成动态电控光子延迟器，其中电极26接正电压，电极27接地。对电极22、24和26施加电压U伏(水平(竖直)偏振变成竖直(水平)偏振)，电极32施加电压0，电极23、25、31和29接地，从光纤33和34输出四个偏振纠缠态中的
Figure GDA0002751166540000091
相位差φ通过电极8、9和10调控。芯片上光子经历的光程Lab与光程Lbc相等。对电极22、28施加正电压2*U(水平(竖直)偏振变成竖直(水平)偏振)，电极23、29接地；电极26施加正电压U(水平(竖直)偏振变成竖直(水平)偏振)，电极27接地；电极24施加电压0，电极25接地，从光纤33和34输出四个偏振纠缠态中的
Figure GDA0002751166540000092
相位差φ通过电极8、9和10调控。四个偏振纠缠态从33、34输出后需要光纤Bragg光栅或者干涉滤波片滤除运光提取参量光。整个铌酸锂芯片上方覆盖一层二氧化硅缓冲层用来保护波导光路，减少表面划伤，降低损耗。
图2是图1中相位调制器的截面图。电极8接地，在波导6上方。电极9、10接直流电压。电极10在波导7上方。36，37，38是二氧化硅缓冲层，电极对之间的缓冲层39、40被腐蚀掉以降低直流漂移。整个铌酸锂芯片长度约64mm。
图3是图1中偏振分束器的俯视图。输入波导夹角为Θ，宽度为W，耦合区波导宽度为Wc，长度为Lc。
图4是图1中一个动态电控光子时间延迟器的截面图。电极22，23与26，27在波导20，21左右对称分布。电极23,27接地，电极22，26接直流电压。
实施例1：
1550nm的偏振纠缠芯片设置。
抽运光为780nm，简并光子对为1560nm。当电极8、9、10长度设置为4.7mm，电压11.0伏可以使得两个泵浦激光相对相位变化2π。
周期极化区域15的设计如下。设计其周期满足波导中自发参量下转换的准相位匹配条件βp-βs-βi＝2π/Λ，其中βp,βs,βi分别是泵浦、信号和闲置光的基模传播常数，由铌酸锂材料的色散以及波导加工工艺共同决定。对于钛扩散波导，水平偏振光和竖直偏振光都可以传播，利用非线性系数d31。根据我们的工艺条件，改变极化周期将对应不同波长的简并光子对输出，我们的测试结果如图4。图中我们测试了倍频工作波长，其反过程就是纠缠光子产生过程，对应抽运波长是图中该倍频过程基波波长的一半，产生简并纠缠光子的波长就是倍频中基波波长。室温下产生1560nm光子对的极化周期为9.07微米，周期极化区域15的长度为16.7毫米，参量下转换光子带宽为1.61nm。温度对参量下转换光子波长的调控能力为-0.15nm/℃。参量下转换光子在周期极化区域15的中心位置a点产生，到达周期极化区域30，31的中心位置b点，经历的波导光程Lab为21.3毫米，b点到芯片后端面c点波导光程Lbc为21.3毫米，光程Lab＝Lbc，用以补偿a点产生的偏振正交光子对的群速度失配。区域Ⅰ泵浦激光处理长度为7毫米。区域Ⅲ波导偏振分束器长度为13毫米。整个器件长度为64毫米。
区域Ⅲ波导光路偏振分束器结构如图3，设计如下。入射波导宽度W为7.5微米，夹角Θ为0.6度，耦合区波导宽度Wc为15微米，长度Lc为840微米。使用Rsoft软件模拟如图5。根据我们的实验条件，设计不同的耦合长度Lc，实验结果如图6。
区域Ⅳ动态电控光子时间延迟器，是由四组偏振转换器构成。周期极化区域30、31、32的极化周期相同，设计其周期满足βH-βV＝2π/Λ，其中βH，βV分别是水平偏振光、竖直偏振光的基模传播常数，对于不同极化周期，动态电控光子时间延迟器对应的偏振转换光谱如图7、8，转换效率大于20dB。周期极化区域30，31长度为6毫米，周期极化区域32长度为3毫米，相对应的偏振转换带宽分别为4.4nm和8.9nm，如图7、8。对称电极内侧间距为20微米。根据实验测试得出极化周期与偏振转换波长如图9。室温下1565nm光子对应的极化周期为22.46微米，图10给出了理论的参量下转换光谱，当参量下转换区域长度为1.67cm时，下转换光子的带宽为1.61nm。图11给出了实验测试得到的极化周期与参量下转换中心波长对应关系。温度对动态电控光子时间延迟器波长的调控能力为-0.7nm/℃。样品温度对区域Ⅰ下转换光子波长调控能力为-0.15nm/℃，利用区域Ⅰ与Ⅳ调控能力的不同，样品升温一定温度，波长完全重合，区域Ⅳ实现对参量下转换光子的偏振态调控。
实现芯片上不同偏振纠缠态的动态输出，电压配置如表1所示；表1芯片输出四个偏振纠缠态的电压配置：
表1：
Figure GDA0002751166540000111
实施例2：800nm附近的偏振纠缠芯片设置。
800nm附近的偏振纠缠芯片设置和1550nm的非常类似，用400nm附近的泵浦光进行泵浦，芯片上的波导改成400nm和800nm的单模波导，极化区域的极化周期也相应的变成了400nm到800nm过程的极化周期大小，其他各功能单元都按照800nm设计，但是，其中偏振分束是需要单独设计的，采用小角交叉型偏振分束设计。下面给出仿真设计结果。设计发现：入射波导宽度W为7.5微米，夹角Θ为1.49度，耦合区波导宽度Wc为15微米，长度Lc为6000微米。使用Rsoft软件模拟如图12，左右两图分别是TE和TM模式的分束效果。
实施例3：质子交换波导与钛扩散波导复合工艺实现偏振分束的偏振纠缠芯片。
图1中区域III有多种片上方式实现偏振分束功能。如利用质子交换波导与钛扩散波导复合工艺，设计非全对称的三波导耦合结构，如图13。波导1,3为钛扩散铌酸锂波导，波导2为质子交换波导。波导1,3支持水平和垂直偏振光，波导2只支持垂直偏振光。利用该特性，设置一定耦合长度，垂直偏振光耦合至波导3(1)交叉输出，水平偏振光不耦合，从而实现偏振分束。波导有效折射率n1＝n3＝2.1432，n2＝3.1442，波导宽度W＝7.5微米，波导间距d＝1.0微米，耦合区长度Lc＝4500微米。模拟结果如图14所示。非全对称复合三波导偏振分束器模拟，上图14A是随着耦合长度增加能量转移情况，下图14B指的是在两根波导中检测到的能量随着耦合长度的变化，有高的能量转移效率的是垂直偏振光，能量交换效率一直低的是水平偏振光。

Claims (5)

1.基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，其特征是，包括依次相连的泵浦光分束区域、第一周期极化区域、波导光路偏振分束器、动态电控光子延时器；泵浦光分束区域由Y分束器和相位调制器构成，实现对泵浦光的分束和相对相位调控或调制；第一周期极化区域是由分开的两个波导上的周期性反转铁电畴组成，在两个波导中分别实现基于二阶非线性的参量下转换光子对；相位调制器是在波导上方制作电极，通过施加电场来改变波导的折射率进而调控光子的相位；波导光路偏振分束器是利用波导多模干涉实现不同偏振光子的分离，实现对两个波导中产生光子对的偏振分束操作；动态电控光子延时器是在第二周期极化区域的波导两侧施加电场周期性改变铌酸锂光轴方向进而调控光子的偏振态，实现对光子片上群速度延迟时间的调控，配置电控光路的状态，实现多种不同的偏振态输出结果，得到四个偏振纠缠态的输出；在铌酸锂铁电材料为基质材料的单片晶体上加工出波导干涉光路并对部分区域进行畴反转以及电光控制，实现四个偏振纠缠态的产生和动态切换；整个芯片依次分为泵浦激光处理区域、第一周期极化区域，偏振分束区域和动态电控光子延时器四个区域，区域Ⅰ是对经典泵浦激光的处理，实现对泵浦光的分束和相位调制；区域Ⅱ是第一周期极化区域，也称非线性区，将上下两路泵浦光转化为偏振正交的光子对，光子对同时从上波导光路或下波导光路产生；区域Ⅲ是对纠缠光子对的处理，在波导偏振分束器上实现纠缠光子的多模干涉进而实现偏振分离，得到
Figure FDA0003191176020000011
Figure FDA0003191176020000012
的光子态；区域Ⅳ是动态电控光子延时器，在第二周期极化区域的波导两侧施加电场周期性改变铌酸锂光轴方向进而调控光子的偏振态，实现对不同偏振光子的时间延迟控制，通过这个电控延迟与区域I中电控泵浦光相位，实现芯片上任意偏振纠缠态的输出，即
Figure FDA0003191176020000013
和
Figure FDA0003191176020000014
Figure FDA0003191176020000015
包括四个Bell基
Figure FDA0003191176020000016
和
Figure FDA0003191176020000017
Figure FDA0003191176020000018
的输出；
具体结构由波导光路、第一与第二周期极化区域、干涉光路、电光调控器基本功能单元构成；设有光纤(2)将泵浦激光输入到耦入波导(3)；泵浦激光然后经波导Y分束器分别输入到另外两根波导(4、5)、再经由弯曲波导分别转至两根平行的泵浦光单模波导(6、7)；所述波导(3、4、5、6、7)都是针对泵浦激光波长的单模波导；之后设有过渡波导(11、12)分别将泵浦光单模波导(6、7)逐渐增宽至参量光波长的单模波导(13、14)；在泵浦光单模波导(6、7)上有三个电极(8、9、10)，通过铌酸锂Z方向电光效应来调节两路泵浦光之间的相位差；单模波导(13、14)中设有第一周期极化区域(15)，将泵浦光转化为参量光子对；之后单模波导(13、14)中产生的光子对都到达波导偏振分束器平行波导(16、17)；偏振分束后的偏振纠缠光子对输出到第一与第二直条波导(18、19)中、再经由弯曲拐弯波导后到达第三与第四直条波导(20、21)中；第三与第四直条波导(20、21)包含第二周期极化区域共三个周期极化区(30、31、32)，第三直条波导(20)两侧有六个电极(22、23、24、25、28、29)，第四直条波导(21)两侧有两个电极(26、27)，第三、第四直条波导(20、21)上设有电光调制器实现光子偏振态和片上时间延迟的动态调控；第三直条波导上设置串联第二周期极化区域中的二个周期极化区(30、32)、第四直条波导上设置第二周期极化区域中的一个周期极化区(31)，第二周期极化区域中的三个周期极化区(30、31、32)极化周期相同，施加Y方向电场，铌酸锂折射率椭球发生周期性偏转，对特定波长光子实现偏振转换，并经片上自由传播直条波导，弥补群速度失配引入的时间延迟，实现片上时间延迟的动态调控；
当制备
Figure FDA0003191176020000021
的光子态，需要将第三直条波导(20)电极(22、24)和第四直条波导(21)电极(26)电压设置为U伏，其它电极(23、25、27、28、29)均接地；配合区域Ⅰ对泵浦激光的处理，泵浦光单模波导(6、7)上电极(8)施加2π相位以内的某个电压，另二个电极(9、10)接地，调控泵浦激光相对相位φ，实现芯片上
Figure FDA0003191176020000022
的输出；
当制备
Figure FDA0003191176020000023
的光子态，需要将第三直条波导(20)上第二周期极化区域中二个周期极化区中二个电极(22、28)电压设置为2U伏，另有四个电极(23、24、25、29)接地；第四直条波导上一个电极(26)电压设置为U伏，另一电极(27)接地；配合区域Ⅰ是对泵浦激光的处理，泵浦光单模波导(6、7)上电极(8)施加2π相位以内的某个电压，另二个电极(9、10) 接地，调控泵浦激光相对相位φ，实现芯片上
Figure FDA0003191176020000031
的输出。
2.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，其特征是，在波导光路中设置第一、第二周期极化区域，所述第一、第二周期极化区域包含一维周期结构、非周期结构或啁啾结构的一维极化序列，第一、第二周期极化区域发生的参量下转换过程包括简并和非简并两种情形，产生偏振正交的光子对。
3.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，其特征是，在波导光路中设置偏振分束器，所述偏振分束器能够对产生的偏振正交的光子对进行处理，对两个偏振分别透射和反射；实现波导偏振分束器的方法包括多模干涉仪、模式转换干涉仪、混杂波导工艺偏振分束以及由这些基本干涉仪组成的复杂光路。
4.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，其特征是，加工波导光路的方法包括钛、镍金属离子扩散方法、化学离子交换方法、化学腐蚀方法、干法刻蚀方法以及机械加工方法。
5.根据权利要求1所述的基于周期极化铌酸锂波导的电控式偏振纠缠态产生芯片，其特征是，芯片的基质材料是二阶非线性材料，包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾铁电材料以及它们的薄膜材料。
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