CN112130396B - 基于ppktp晶体的多模接收小型化纠缠源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统，其包括泵浦光源1、泵浦光传输模块、纠缠装置4、第一收集装置5‑1和第二收集装置5‑2。其中，第一收集装置5‑1和第二收集装置5‑2在结构上不对称。第一收集装置5‑1包括第一多模光纤、时间滤波单元6和空间滤波单元8，且所述时间滤波单元6位于所述空间滤波单元8前方。第二收集装置5‑2中包括空间滤波单元9和第二多模光纤。借助本发明，可以以精简的结构稳定地提供高偏振对比度、高亮度和品质的纠缠光。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统。
背景技术
量子纠缠的概念最早由薛定谔和著名的EPR佯谬提出，是近些年物理学和信息通信等学科的研究热点。量子纠缠的特殊性质使其在量子计算、量子保密通信、量子隐形传态等方面具有显著的应用价值。迄今为止，在腔QED、离子阱、量子点等体系中均可以产生纠缠态，但基于光学体系的纠缠态最容易实现高速率和高亮度，因而被广泛应用研究。
到目前为止，利用非线性晶体中的自发参量下转换(SPDC)过程产生纠缠光子对是最成熟的方法，例如参见中国专利文献CN201721027813.5和CN201110170177.2。SPDC是强泵浦光在非线性介质中与量子真空噪声导致的自发辐射进行参量震荡所产生的，即：一个高频抽运光子以某一概率自发地分裂为一对低频的下转换光子——信号光子、闲频光子。后来，又出现了利用PPKTP(周期极化KTiOPO4)、PPLN(周期极化LiNbO3)等周期极化的非线性晶体和准相位匹配技术产生纠缠光子对的方案，例如参考中国专利文献CN201810955748.5。准相位匹配(QPM)技术是一种通过对光学晶体非线性极化率进行周期性调制来补偿由于折射率色散所造成的光波之间相位失配的技术。
传统的非线性纠缠源的制备方法是通过硼酸钡(BBO)非线性晶体进行参量下转换，再经过薄晶体和波片进行横向和纵向走离效应的补偿，产生较好的纠缠源。2004年麻省理工学院的科学家利用周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体将纠缠源的亮度再次大幅度提升。在实验室条件下，利用PPKTP晶体和Sagnac干涉环技术已经使得纠缠源的亮度达到一个很佳的效果，近年来，基于准相位匹配技术的PPKTP晶体纠缠源已经成为高亮度、高品质纠缠源的一个绝佳选择。
因此，现有技术陆续提出了一些基于PPKTP晶体的纠缠源系统。例如，在CN201810955748.5号中国专利中公开了一些纠缠源结构，如图1所示。在“基于周期极化KTiOPO4晶体的高亮度纠缠源研制”(物理学报)中公开了一种基于PPKTP晶体的纠缠源结构，其中提出在PPKTP晶体中产生偏振方向正交的一对参量光之后，利用双色镜和长通滤波片将泵浦光与参量光分离，再利用PBS将参量光子对分离，并耦合至单模光纤中，并指出其亮度比传统基于BBO晶体的纠缠光源可以提高一个数量级以上，如图2所示。在“基于百公里量子通信实验的可移动式一体化纠缠源”中也公开了一种基于PPKTP晶体的纠缠源结构，其中指出可以利用空间滤波和模式匹配技术将基于BBO晶体的纠缠源的亮度提高至1000cps/mw。但是，采用此方案的量子纠缠源系统仍然不能获得满意的偏振对比度和亮度，采用图3所示的基于PPKTP晶体的纠缠源结构可以将其亮度提高一个数量级以上。
通过对现有技术方案进行分析可以发现，现有的基于PPKTP晶体的偏振纠缠源系统在输出光学性能(例如偏振对比度、亮度及品质等)、性能稳定性、以及经济性等方面存在不足，仍有待提高。
例如，现有纠缠源系统普遍采用单模接收纠缠光，但是单模光纤具有相对高的成本，且耗电多，怕弯曲，对熔接要求高，容易产生附加损耗，对清洁要求高；并且，现有技术在两侧收集装置中采用完全对称的器件结构，这使得系统中器件数量较多，在一定程度上造成资源的浪费。上述问题尤其在实验和教学环境下会导致系统输出光学性能不稳定和经济性问题。同时，由收集装置输出的纠缠光在偏振对比度、亮度和品质上仍有待提高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提出了一种基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统，其中提出采用多模光纤接收纠缠光的概念，并为此首次提出在纠缠源系统的单侧收集装置中引入由时间滤波和空间滤波技术有机结合实现的纠缠光处理方案，在纠缠源系统中形成非对称的器件结构，从而在实现多模接收纠缠源的同时，进一步提高纠缠源的偏振对比度、亮度和品质及其稳定性和经济性。
具体而言，本发明的基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统可以包括泵浦光源1、泵浦光传输模块、纠缠装置4、第一收集装置5-1和第二收集装置5-2。
泵浦光源1输出的光经所述泵浦光传输模块作用，作为泵浦光输入到所述纠缠装置4；
所述纠缠装置4被设置成利用所述泵浦光基于PPKTP晶体产生纠缠光，所述纠缠光包括偏振方向彼此正交的信号光和闲频光；
所述第一收集装置5-1被设置用于接收所述信号光和所述闲频光中的一个；所述第二收集装置5-2被设置用于接收所述信号光和所述闲频光中的另一个；
所述第一收集装置5-1和所述第二收集装置5-2在结构上不对称，其中：仅在所述第一收集装置5-1中同时设置有时间滤波单元6和空间滤波单元8，且所述时间滤波单元6位于所述空间滤波单元8前方；在所述第二收集装置5-2中设置有空间滤波单元9；以及，所述第一收集装置5-1还包括第一多模光纤，所述第二收集装置5-2还包括第二多模光纤。
优选地，所述时间滤波单元6为窄带滤波片，以及/或者所述空间滤波单元8、9为光阑。
进一步地，所述第一和/或所述第二收集装置5-1、5-2还包括用于将所述信号光或闲频光准直的准直单元10、11；以及/或者，所述第二收集装置5-2还包括杂光滤除单元7，其用于滤除除所述信号光或闲频光之外的杂散光。
优选地，所述第一和/或第二多模光纤为105多模光纤；以及/或者，所述泵浦光的波长为405nm；以及/或者，所述窄带滤波片具有810nm的中心波长和5nm的半高宽；以及/或者，所述光阑具有1.5mm的孔径。
进一步地，所述泵浦光传输模块包括准直装置2和聚焦装置3。
优选地，所述准直装置2包括准直透镜；以及/或者，所述聚焦装置3包括聚焦透镜。
进一步地，所述纠缠装置4包括第一光学元件4-1和Sagnac干涉环结构4-2。其中，第一光学元件4-1被设置成允许透射所述泵浦光，以及反射所述纠缠光；Sagnac干涉环结构4-2被设置成利用所述泵浦光基于PPKTP晶体产生所述纠缠光。
可选地，第一光学元件4-1包括二向色镜；以及/或者，Sagnac干涉环结构4-2包括双波长偏振分束器4-2-1、双波长半波片4-2-4、第一双波长反射镜4-2-2、第二双波长反射镜4-2-3和PPKTP晶体4-2-5。
进一步地，本发明的纠缠源系统还可以包括测量装置，其设于所述纠缠装置4和所述收集装置5-1、5-2之间。
所述第一和/或第二收集装置5-1、5-2中的光阑为1个，或者2个，或者更多。
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示出了现有技术的一种量子纠缠源系统；
图2示出了现有技术的另一种量子纠缠源系统；
图3示出了现有技术的又一种量子纠缠源系统；
图4示出了本发明的纠缠源系统的一个示例的结构示意图。
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。
图4示出了本发明的纠缠源系统的一种示例的结构示意图。
如图所示，该纠缠源系统可以包括泵浦光源1、泵浦光传输模块、纠缠装置4、第一收集装置5-1和第二收集装置5-2。
泵浦光源1可以被设置为输出偏振光，其例如可以借助泵浦激光器来实现。在一个示例中，泵浦光源1可以包括波长为405nm的泵浦激光器。
由泵浦光源1输出的偏振光经泵浦光传输模块输入到纠缠装置4中，作为纠缠装置4的泵浦光。
在图4示出的实施方式中，泵浦光传输模块可以包括准直装置2、和聚焦装置3。
在该实施方式中，准直装置2用于将由泵浦光源1输出的偏振光准直，聚焦装置3用于将偏振光聚焦。
作为示例，准直装置2可以包括准直透镜2。聚焦装置3可以包括聚焦透镜3。
在图4的示例中，泵浦光源1的出射中心、准直透镜2的焦点和聚焦透镜3的焦点设在一条直线上。本领域技术人员能够理解，泵浦光传输模块也可以具有其他光路结构和位置关系，只要能够将泵浦光源1输出的光以期望的状态输入至纠缠装置4中以作为泵浦光。
纠缠装置4可以包括第一光学元件4-1和Sagnac干涉环结构4-2。
第一光学元件4-1被设置成允许透射泵浦光，以及反射纠缠光。作为示例，第一光学元件4-1可以为二向色镜(DM)4-1。
Sagnac干涉环结构4-2被设置成可以利用泵浦光基于PPKTP晶体产生纠缠光，即纠缠光子对。本领域技术人员知晓，该纠缠光子对包括偏振方向正交的信号光和闲频光。
如图4所示，作为示例，Sagnac干涉环结构4-2可以包括双波长偏振分束器4-2-1、双波长半波片4-2-4，第一双波长反射镜4-2-2、第二双波长反射镜4-2-3和PPKTP晶体4-2-5。
在该示例中，经泵浦光传输模块作用进入纠缠装置4中的泵浦光，首先透射通过二向色镜4-1到达偏振分束器4-2-1，由偏振分束器4-2-1分解为两束偏振光；随后，这两束偏振光分别进入Sagnac干涉环的环路，并沿相反的方向在环路中传播；在环路传播过程中，两束偏振光分别经半波片4-2-4、反射镜4-2-2和4-2-3、以及PPKTP晶体4-2-5作用，在环路中循行一周后同时返回偏振分束器4-2-1处会合，并发生干涉作用；干涉结果经偏振分束器4-2-1作用后分别经其不同的端口(反射端和透射端)出射，从而提供包括信号光和闲频光的纠缠光子对。
继续参见图4，信号光和闲频光中的一个从偏振分束器4-2-1输出后朝向第二收集装置5-2传输，另一个则经二向色镜4-1反射作用后朝向第一收集装置5-1传输。
根据本发明，第一收集装置5-1和第二收集装置5-2被设置成具有不对称的器件结构。
具体而言，第一收集装置5-1可以包括时间滤波单元6、空间滤波单元8和第一多模光纤。第二收集装置5-2可以包括空间滤波单元9、杂光滤除单元7和第二多模光纤。
时间滤波单元6用于对纠缠光进行时间选模处理。作为优选示例，时间滤波单元6可以采用窄带滤波片6来实现。
空间滤波单元8、9用于对纠缠光进行空间选模处理。作为优选示例，空间滤波单元8、9可以采用光阑8、9来实现。
杂光滤除单元7用于滤除纠缠光之外的杂散光，以提供降噪功能。作为示例，杂光滤除单元7可以包括长通滤波片7。
根据本发明，为能够在实现多模接收的同时提高系统的偏振对比度，在第一收集装置5-1中，时间滤波单元6必须设置在空间滤波单元8前方，如图4所示那样。由此，通过在单侧收集装置中以先时间后空间的方式对纠缠光进行时间和空间滤波处理，可以实现多模接收到高偏振对比度、高亮度、高品质的纠缠光子对。此外，由于本发明仅在单侧(第一)收集装置中设置时间和空间滤波单元，且可以不在同侧收集装置中同时设置时间滤波单元(例如窄带滤波片6)和杂光滤除单元(例如长通滤波片7)，相比现有技术的完全对称器件结构，可以使纠缠源系统结构得到很大的精简，节约资源，容易在实验教学环境中获得高品质的纠缠源。
进一步地，在本发明的收集装置中，光阑8、9的孔径大小与光阑放置位置有关，光阑距离接收端越近，光阑的孔径需要越大。因此，在本发明的收集装置中，光阑可以设置在靠近接收端的地方。
实验证明，在纠缠源系统的收集装置中，如果没有引入窄带滤波片先对纠缠光进行时间滤波，仅调节光阑的孔径大小和远近程度，纠缠源系统的偏振对比度基本不会改变。总之，通过使第一收集装置5-1收集的纠缠光子先经过窄带滤波片6进行时间选模，再经过光阑8进行空间选模，最终能够显著提高纠缠源系统的偏振对比度。
在一种优选实施方式中，多模光纤可以采用105多模光纤。窄带滤波片可以具有810nm的中心波长和5nm的半高宽。光阑可以具有1.5mm的孔径。如上所述，本领域技术人员可以理解，光阑的孔径可以根据其放置位置适当调整。可选地，在本发明的纠缠源系统中还可以包括光阑定位装置，用于实现光阑的定位。例如，在光阑定位装置的一种实施方式中，可以先利用单模光纤收集纠缠光子，再利用单模光纤反打红光，以利于实现光阑的定位。
在一种实施方式中，收集装置中光阑的数量可以为2个或更多。
进一步地，还可以在本发明的收集装置中设置准直单元10、11，用于将纠缠光准直以便由多模光纤接收，如图4所示。
在一种实施方式中，准直单元10、11可以包括准直透镜。
本领域技术人员能够理解，本发明的纠缠源系统可以应用于学生实验室课程实验(进行不同的纠缠态的制备/分析,检验Bell不等式,量子态层析测量，量子密钥分发)、科学实验(量子光学、量子通信、量子信息)，也可以扩展到商业应用(加密、计量、光学传感)。
例如，利用多模光纤收集纠缠光子后，则可以通过时间相关单光子探测技术进行符合计数采集，并测量偏振对比度，从而得出单光子计数和符合计数以及偏振对比度。
可选的，尤其在纠缠源系统被设计用于教学或科研场景时，还可以根据实验需求在纠缠源系统中设置测量装置，用以对纠缠光子对进行测量，实现偏振态的选择，进行后续实验操作，以实现例如Bell不等式检验等其他实验。
在一种实施方式中，可以在纠缠装置4和收集装置5-1、5-2之间设置测量装置。
尤其在纠缠源系统用于教学的实施方式中，可以在第一和/或第二收集装置中设置窄带滤波片、长通滤波片和光阑中的任意几种进行调节，以便与其他纠缠源系统做对比实验，从而了解例如空间滤波和时间滤波相互协同作用对纠缠光性能的改善。
基于上文可知，在本发明的纠缠源系统中，通过仅在单侧收集装置中为纠缠光提供先时间后空间的双重滤波处理，可以在多模接收时显著提高偏振对比度。由此，可以以最少的器件，最节约资源的方式实现高品质的纠缠源系统的多模接收，整体结构简单、便携、经济，输出光学性能稳定且光学品质高，具有很好的教学和科学实用价值。
进一步地，由于能够允许多模接收，使得可以在纠缠源系统中使用多模光纤接收纠缠光，从而克服现有技术中由于单模光纤而导致的问题，且便携经济，尤其适合教学和科研应用场景。同时，不同于现有技术中小型纠缠源系统普遍采用的完全对称的器件结构和偏振对比度不高的现状，本发明仅在单侧收集装置中设置空间和时间滤波单元，形成非对称器件布局，使得纠缠源系统在结构上得到进一步精简，最大程度节约了光学资源，同时提高了偏振对比度和亮度，具有很好的教学和科学实用价值。
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PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统，其包括泵浦光源(1)、泵浦光传输模块、纠缠装置(4)、第一收集装置(5-1)和第二收集装置(5-2)；
泵浦光源(1)输出的光经所述泵浦光传输模块作用，作为泵浦光输入到所述纠缠装置(4)；
所述纠缠装置(4)被设置成利用所述泵浦光基于PPKTP晶体产生纠缠光，所述纠缠光包括偏振方向彼此正交的信号光和闲频光；
所述第一收集装置(5-1)被设置用于接收所述信号光和所述闲频光中的一个；
所述第二收集装置(5-2)被设置用于接收所述信号光和所述闲频光中的另一个；
其特征在于，
所述第一收集装置(5-1)和所述第二收集装置(5-2)在结构上不对称，其中：
仅在所述第一收集装置(5-1)中同时设置有时间滤波单元(6)和空间滤波单元(8)，且所述时间滤波单元(6)位于所述空间滤波单元(8)前方，以先时间后空间的方式对所述信号光和闲频光中的一个进行时间和空间滤波处理；
在所述第二收集装置(5-2)中设有空间滤波单元(9)；以及，
所述第一收集装置(5-1)还包括第一多模光纤，所述第二收集装置(5-2)还包括第二多模光纤。
2.根据权利要求1所述的纠缠源系统，其中，所述时间滤波单元(6)包括窄带滤波片，以及/或者所述空间滤波单元(8,9)包括光阑。
3.根据权利要求1所述的纠缠源系统，其中：
所述第一收集装置(5-1)和/或所述第二收集装置(5-2)还包括用于将所述信号光或闲频光准直的准直单元(10，11)；以及/或者，
所述第二收集装置(5-2)还包括杂光滤除单元(7)，其用于滤除除所述信号光或闲频光之外的杂散光。
4.根据权利要求2所述的纠缠源系统，其中：
所述第一和/或第二多模光纤为105多模光纤；以及/或者，
所述泵浦光的波长为405nm；以及/或者，
所述窄带滤波片具有810nm的中心波长和5nm的半高宽；以及/或者，
所述光阑具有1.5mm的孔径。
5.根据权利要求1所述的纠缠源系统，其中，所述泵浦光传输模块包括准直装置(2)和聚焦装置(3)。
6.根据权利要求5所述的纠缠源系统，其中，所述准直装置(2)包括准直透镜；以及/或者，所述聚焦装置(3)包括聚焦透镜。
7.根据权利要求1所述的纠缠源系统，其中，所述纠缠装置(4)包括第一光学元件(4-1)和Sagnac干涉环结构(4-2)；
所述第一光学元件(4-1)被设置成允许透射所述泵浦光，以及反射所述纠缠光；
所述Sagnac干涉环结构(4-2)被设置成利用所述泵浦光基于PPKTP晶体产生所述纠缠光。
8.根据权利要求7所述的纠缠源系统，其中，所述第一光学元件(4-1)包括二向色镜；以及/或者，
所述Sagnac干涉环结构(4-2)包括双波长偏振分束器(4-2-1)、双波长半波片(4-2-4)、第一双波长反射镜(4-2-2)、第二双波长反射镜(4-2-3)和PPKTP晶体(4-2-5)。
9.如权利要求1所述的纠缠源系统，其还包括测量装置，所述测量装置设于所述纠缠装置(4)和所述收集装置(5-1,5-2)之间。
10.如权利要求2所述的纠缠源系统，其中，所述第一收集装置(5-1)和/或第二收集装置(5-2)中的所述光阑为1个，或者2个，或者更多。
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