CN113156736A - 一种基于ii类参量下转换的超宽频率调谐量子光源芯片 - Google Patents
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Abstract
基于II类参量下转换的超宽频率调谐量子光源芯片，在包括铌酸锂的铁电材料上设有多个串行或/和并行相结合的形式的具有极化的畤反转区域的波导，畤反转的极化周期设计使得发生的非线性过程是II类参量转换的，即参量下入射光转换过程是线偏光泵浦产生两种正交偏振光的偏振组合形式。本发明提供了一种芯片式的超宽频率调谐量子光源，具有超宽的波长调谐能力，可以一片满足多种波长需求，实现光子频率转换与频率宽调谐。可以作为多种波段的可调谐关联光子源和宽调谐可预知单光子源使用，可以成为光量子信息技术的核心基本光源。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术和非线性光学领域，尤其是利用集成光学技术和思路来实 现芯片化的宽调谐量子光源。
背景技术
近年来，量子信息技术飞速发展，量子通信和量子计算也在多种条件下开展，量子科学实验卫星墨子号的上天，开启了超远距离星地量子通讯的序幕，但是诸多不同的实验条件下，对作为量子信息技术中核心资源的纠缠光子源和单光子源提出了多种要求。例如800nm波段和1550nm波段是空间量子通讯的常用波段，但是800nm在白天易被干扰， 需要切换成1550nm甚至更长的波段来减轻干扰。星地量子通讯多用1550nm，但是即便 是1550nm的波长，在穿越云层时也会受到很大的干扰，此时则需要更长的波长如2μm 的中红外波段来减小干扰[1]。而量子存储和量子计算所涉及量子光源的波长也是从可见 光波段跨越到了中红外波段，因此迫切需求超宽调谐的可以跨越可见光与中红外波段的量 子光源。另外，作为卫星量子通信的量子光源必须是高稳定性和轻量化的。
量子光源主要包括单光子源和纠缠源。制备单光子源的方法有很多种，如直接将激 光衰减至单光子水平[2]、量子点[3]、单荧光分子[4]以及N-V色心[5]等，但是这些很难进 频率调谐或调谐范围非常有限，并且不可预知。只有基于纠缠光子的单光子源才可以做到 可预知[6]，所以如何制备纠缠光子光源，特别是高效、稳定、轻量、便携、宽调谐的纠 缠光子源一直是量子信息领域的研究热点。到目前为止常见的纠缠光子对的产生方法有：(1)原子级联跃迁[7]；(2)原子系统中的四波混频过程[8]；(3)硅基[9,10]或光纤[11,12]中的四波混频过程；(4)基于二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程[13,14]。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，而 原子系综因系统复杂、庞大，不是一种便携、方便获取纠缠光子的方法。现在人们多采用 后面的两种方案。基于非线性晶体的二阶参量过程具有产率高、装置简单、容易集成的特 点，现在被研究人员和产业界广为使用。在二阶非线性晶体中，参量过程若要高效发生， 必须同时满足能量守恒和动量守恒条件(又叫做相位匹配条件)，此时，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，也称为纠缠光子对。 能量守恒条件可以自然满足，然而相位匹配条件则很难满足。常用来实现相位匹配条件的 方式有双折射匹配和准相位匹配。双折射匹配实现条件苛刻，且波长单一，不可调谐或调 谐能力很弱，而准相位匹配可以很容易地通过极化结构实现。极化结构就是铁电畴反转结 构，通过将铌酸锂、钽酸锂等材料的铁电畴按照一定的结构进行极化，可以实现准相位匹 配，从而实现参量下转换的高效发生。特别是极化的波导光路中的纠缠光子对的产生效率 相比于体块晶体可以得到极大的提升[15-18]。此外，很多情况下需要将纠缠光子对分开， 如可预知单光子源和一些纠缠态或光子态的制备。基于零类和I类参量下转换产生的纠缠 光子对(均为同偏振的参量光子)，尤其是波导中产生的零类或I类参量光，只能通过效 率较低的波长复用或分波元件将纠缠光子对分开，很多情况下会损失一定波段，造成资源 的浪费。而利用偏振是最方便高效的分离方式，只有II类参量下转换过程产生的信号光 和闲置光的偏振是互相垂直的，通过偏振分束器即可将纠缠光子对分开，且没有波段的损 失。国际上一斤有不少通过II类产量下转换产生信号和闲置光子对的工作[19-22]，但是 其产生光子波长都是特定的，不具备宽调谐能力。
总的来说，到目前为止，无论是双折射匹配晶体，还是周期性极化的体块材料或波导结构，一块晶体或者芯片往往只能产生较窄波段的纠缠光子，波长的调谐能力较低、不能连续覆盖可见光和通信波段、不具有很好的功能扩展能力、功能单一、用途单一。
发明内容
本发明目的是，为了解决上面所提到的问题，提供一种基于II类参量下转换的超宽 频率调谐量子光源芯片的设置方法。经过仿真计算发现，II类参量下转换过程的动量失配 随输出波长、温度、泵浦波长、极化周期等因素影响大，比I类和零类过程对这些外界因素影响更大，所以能够基于II类过程实现波长更快的调谐，单芯片产生的光子对有望覆 盖更宽的波段。本发明能够提供了一种多通道、多用途、芯片化的量子光源，可以用于量 子通信卫星，超远距离量子通信，可以单片满足多用户、多带宽、多频段的量子通信需求， 可以连接多种波段进行交互，可以用于链接量子存储、量子计算与量子通信的交互等。
本发明的技术方案是：基于II类参量下转换的超宽频率调谐量子光源芯片，在包括 铌酸锂的铁电材料上设有多个串行或/和并行相结合的形式的具有极化的畤反转区域的 波导，畤反转的极化周期设计使得发生的非线性过程是II类参量转换的，即参量下入射光转换过程是线偏光泵浦产生两种正交偏振光的偏振组合形式。芯片极化区域包括串行和并行的各个畤反转波导中的极化结构都不相同，特定的泵浦光波长入射到串行和并行的各个畤反转区域产生不同频率的正交偏振下转换光子对，在固定的泵浦光波长条件下即可实现宽频率调谐。
II类参量下转换过程产生光子对的频率宽调谐方式包含设计串行和并行的多个畤反 转波导、调节泵浦光波长、控制芯片温度，从而实现光子对波长的连续超宽调节。
铌酸锂等材料中II类参量下转换具有对计划周期、温度、泵浦波长等参数响应敏感 即下转换波长调谐快的特性，本发明提出了在包括铌酸锂的铁电材料上设有多个串行或/ 和并行相结合的形式的具有极化的畤反转区域的波导，在畤反转波导中发生基于二阶非线 性的正交偏振输出的II类参量过程，实现光子频率转换与频率宽调谐；芯片上包含多个 畤反转的波导通道，畤反转的极化周期设计使得发生的非线性过程是II类参量转换的，即参量下入射光转换过程是线偏光泵浦产生两种正交偏振光的偏振组合形式来实现量子光的超宽频率调谐。铌酸锂等为基质材料的芯片状晶体上制备出波导光路，并在波导上进行铁电畴反转。
若干极化的单周期的结构用于产生单一波长或固定波长的II类参量光。芯片设有多 极化区域，包括串行和并行的各个畤反转波导中的极化结构都不相同，特定的泵浦光波长 入射到串行和并行的各个畤反转区域产生不同频率的正交偏振下转换光子对。
在畤反转波导中产生II类参量下转换过程，II类过程产生的光子对波长随泵浦波长、 极化周期、温度等变化敏感，所以能够通过改变这些参数产生宽调谐的光子对和可预知的 单光子源。
多种调谐方式联合使用，既能保证调谐范围的广度，又能保证调谐的精确度。而输出的基于II类参量过程的纠缠光子对，其信号光和闲置光偏振正交，可用于制备多种光 子态，既可以作为纠缠光子源使用，也可以作为可预知单光子源使用。由于其波段范围覆 盖很宽，可以满足多种波段的光子源的需求，可用于多个领域和多种实验条件，如可以单 片满足多用户的、多频段的、多路复用的量子通信网络，星地量子通讯，量子存储、量子 中继等，可以达到一个芯片满足全部波长需求。
在畤反转波导中产生II类参量下转换过程，II类过程产生的光子对波长随泵浦波长、 极化周期、温度等变化敏感，所以能够通过改变这些参数产生宽调谐的光子对和可预知的 单光子源。
在包括铌酸锂的铁电材料基片上制备多通道波导光路和波导上多个极化区域，包括 多通道波导光路，输入、耦出端的光纤；多通道波导光路包括过度波导、波导、并在波导的输入、耦出端设有光纤(2、14)耦合固接封装(3、13)；通过输入端的光纤(2)将泵 浦激光(1)输入波导(5)中；泵浦光经由过度波导(6)保持单模状态输入到波导(7) 的极化区域(8-12)中，发生II类参量下转换过程，并产生纠缠光子对；纠缠光子对通过 耦出光纤(14)输出；泵浦激光(1)可以在任意一根输入光纤(2)上自由切换(切换方 式可以是简单的法兰盘插拔，可以是一进多出的分束器同时泵浦芯片上的多根波导，可以 是光开关等)。波导阵列(5、6、7)的波导根数可以是一根到几百根不等，可根据实际需 求定制；波导阵列(5、6、7)中每根波导的宽度可以任意设计，任意变化，可以相同， 可以不同，可渐变，可根据实际用途进行定制。极化区域所发生的II类参量下转换过程 包括简并和非简并两种情形，所产生的量子光源包括时间能量纠缠、偏振纠缠、频率纠缠、 偏振与频率的同时纠缠以及时间、能量、偏振、频率同时纠缠等，还包括探测一个光子预 知另外一个的可预知超宽频率调谐单光子源。
极化区域所发生的II类参量下转换过程包括简并和非简并两种情形，所产生的量子 光源包括时间能量纠缠、偏振纠缠、频率纠缠、偏振与频率的同时纠缠以及时间、能量、偏振、频率同时纠缠等，还包括探测一个光子预知另外一个的可预知超宽频率调谐单光子源。
本发明的有益效果：本发明基于铌酸锂材料的特点获得芯片的如下性能，1)铌酸锂 材料通光波段范围广(370nm～5200nm)；2)铌酸锂材料具有很高的二阶非线性光学系数， 并且可以通过人工方法(如极化结构)调控非线性系数，从而满足准相位匹配条件，使光 学频率转例如II类光学参量下转换过程，实现高效的产生，得到高亮度的纠缠光子对，而且通过灵活的极化结构设计可以使得纠缠光子对的波长灵活改变；3)铌酸锂的极化结构尺寸可以做到百纳米级别[文献23,24]，极化区域的宽度也可以做到10μm以下[文献23,24,25,26]，可控精度高，可以制备任意周期极化结构、非周期极化结构，可以制备二维 极化结构、三维极化结构[文献23],可以实现多种波长的高效产生；4)铌酸锂可通过控温 调节折射率，进而调节相位匹配条件，从而实现参量光波长的辅助调谐；5)铌酸锂可以 通过钛扩散、刻蚀、抛光、质子交换等方法加工成波导，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量子光源的片上处理，使得铌酸锂成为一个有潜 力的量子信息处理平台。6)铌酸锂可以制备成亚微米尺寸的铌酸锂薄膜，即LNOI[27]， 通过干刻蚀方法或化学机械抛光方法等制备成LNOI光波导，可以有效地提高波导核心与 包层的折射率差(>0.7)，可以使得波导尺寸达到亚微米量级，非线性相互作用极大地增 强，波导转弯半径为几十微米，极大地提高了传统铌酸锂器件的集成度，逼近硅基光子器 件的集成度。本发明正是基于铌酸锂的以上特点，设计了一种基于II类参量下转换的超 宽频率调谐量子光源芯片，提供一种芯片化的、稳定的、轻量化的、便携的、即插即用的、 多通道的、单片多功能的、超宽调谐的量子光源，同时也可作为高效宽调谐的可预知单光 子源和纠缠光子源，可用于制备多种光量子态。可以一片满足多种波长需求，具有多功能 性、易扩展、可定制、稳定性高、轻量便携等特点，实现光子频率转换与频率宽调谐。
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附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是波导数目扩展后的宽调谐铌酸锂量子光源芯片示意图；
图3至图8是实施例1给出的波长调谐图：其中图3为极化周期对II类参量光的调谐曲线(泵浦为454nm)，图4是极化周期对I类参量光的调谐曲线(泵浦为454nm)， 图5是极化周期对0类参量光的调谐曲线(泵浦为454nm)，图6是极化周期对II类参量 光的调谐曲线(泵浦为454nm)，图7是极化周期对II类参量光的调谐曲线(泵浦为454 nm)，图8是温度对II类参量光的调谐曲线(泵浦为454nm)；
图9至图15是实施例2给出的波长调谐图：其中图9是极化周期对II类参量光的调谐曲线(泵浦为635nm)，图10是极化周期对I类参量光的调谐曲线(泵浦为635nm)， 图11是极化周期对0类参量光的调谐曲线(泵浦为635nm)，图12是极化周期对II类参 量光的调谐曲线(泵浦为635nm)，图13是极化周期对II类参量光的调谐曲线(泵浦为 635nm)，图14是温度对II类参量光的调谐曲线(泵浦为635nm)，图15是温度对II类 参量光的调谐曲线(泵浦为635nm)；
图16至图17是实施例3给出的波长调谐图：图16是II类参量过程泵浦光波长与 参量光波长的变化关系图，图17是II类参量过程泵浦光波长与参量光波长的变化关系图。
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II类参量下转换 的超宽频率调谐量子光源芯片。铌酸锂基片上分为波导光路和(波导上)极化区域，畤反转的极化周期设计使得发生的非线性过程是II类参量转换的结构可以参考现有技术，单片(芯片)采用多通道波导光路、多个极化区域和多种极化结构的集成,使泵浦光经波导 在极化区域发生II类参量过程产生偏振正交的纠缠光子对，并以多种方式实现量子光的 超宽频率(波长)调谐。包括1)通过设计特殊的畴反转结构，在固定的泵浦光波长条件 下即可实现超宽频率调谐；2)通过将单频泵浦激光分成多束激光，每一束激光去泵浦制 备有相应极化结构的波导光路，每个波导光路产生对应波段的量子光，实现超宽频率调谐； 3)通过小范围地调节泵浦光波长,实现输出量子光波长超宽调谐；4)通过控制芯片或极 化区域的温度实现输出量子光的频率调谐。多种调谐方式联合使用，既能保证调谐范围的 广度，又能保证调谐的精确度。
我们对图1芯片和图2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和极化区域。如图1所示，铌酸锂芯片4的输入波导(波导阵列)5和输出波导(波导 阵列)7分别通过粘接物3和13分别与输入光纤(光纤阵列)2和输出光纤(光纤阵列) 14相耦合，并固接(称为耦接)，如需要空间光输出则可以不粘接输出光纤14。泵浦光(经 典抽运激光)1(可以是小型的激光二极管)从光纤(光纤阵列)2输入，经由过度波导(阵列)6保持单模状态输入到处在极化区域的波导阵列7中，发生II类参量下转换过程， 并产生偏振正交的纠缠光子对；纠缠光子对通过耦出光纤(光纤阵列)14输出后，可以 通过光纤Bragg光栅或者干涉滤波片等滤波器件滤掉泵浦光从而提取参量光(纠缠光子 对)。如果接收参量光的装置具有波长选择性，如波分复用器(WDM)，则不需要加额外 的滤波器件，可以直接输入系统。可设有极化区域8，极化区域是产生中红外波段的准周 期或啁啾极化结构，在泵浦光波长固定的条件下可以实现中红外波段的超宽谱输出，即可 以实现超宽的频率调谐；极化区域9、10和11表示多周期极化结构串联或级联的形式， 虽然示意图上只画了三个，但实际上可以串联或级联几十个不等，在泵浦光固定的条件下， 产生超宽谱的参量光输出，可以定制波段，可以实现可见光、近红外和中红外波段的超宽 频率调谐；极化区域12表示特殊设计的单周期极化结构，可以通过微调泵浦光波长实现 参量光的超宽频率调谐。由于II类参量光波长随温度的变化不是非常敏感，且在较小的 温度变化范围内，II类参量光波长随温度几乎是线性变化的，所以可以通过控制芯片或极 化区域温度的方式来进行辅助调谐，以增加超宽调谐的精确度，从而既能保证调谐范围的 广度，又能保证调谐的精确度。并且通过控温调谐可使分离的波段链接起来，从而实现波 长的连续调节。可以作为多种波段的可调谐关联光子源和宽调谐可预知单光子源使用，可 以成为光量子信息技术的核心基本光源。
图2是图1的扩展，如图2所示，铌酸锂芯片的输入波导阵列17和输出波导阵列19分别通过粘接物16和25分别与输入光纤阵列15和输出光纤阵列26相耦合固接。泵浦光 1从光纤阵列15中的一根输入或多根输入(使用分束器分束)，经由过度波导阵列18保 持单模状态输入到处在极化区域的波导阵列19中，发生II类参量下转换过程，并产生偏 振正交的纠缠光子对；纠缠光子对通过耦出光纤阵列26输出。图2表示极化区域和波导 通道的数量可以从1扩展到上百，极化区(20-24)的畴结构可以是多种不同的单周期极 化，多周期极化，啁啾极化等极化结构的组合，可根据实际需求定制，可以产生410 nm～5200nm之间任意波段的II参量光输出，甚至可以使参量光波长从410nm连续调谐 至5200nm。波导的宽度根据其传输波段设计，尽量保证单模或少模；每一根波导上的极 化结构可以是一种，也可以是多种，可根据实际需求和用途进行定制。波导阵列(5、6、 7、17、18、19)中每根波导的宽度可以任意设计，任意变化，可以相同，可以不同，可 渐变，可根据实际用途进行定制。粘接物3、13、16和25可以是硅块、紫外光胶等材料。 芯片与光纤的耦合固接封装方法包括使用阵列光纤耦合，通过折射率匹配的紫外光胶提高 耦合效率并固接封装的方法；单根光纤用硅块作为载体抛光后耦合，通过折射率匹配的紫 外光胶提高耦合效率并固接的方法；通过波导taper与光纤耦合固接的方法以及利用波导 光栅提高耦合效率并固接封装的方法；也可以通过其他粘接物进行固接封装；耦合端面可 以有一定的斜度，有利于对准耦合。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。整个铌酸锂芯片的长度可根据要求设置，长度 10mm～55mm，宽度为5mm～20mm。例如芯片的宽度取为12.5mm，波导的间隔取125μm， 则可以集成100根波导和对应数量的极化区域(每个极化区中可以有多种不同的极化结 构)。而采用铌酸锂薄膜材料，则可以使波导间距(包含极化区域)缩减至10μm，这样， 仅需要10mm的芯片宽度，即可集成1000根波导和对应数量的极化区域。
本发明涉及的泵浦光波长均有激光二极管或激光器对应[日亚官网，toptica官网]。
实施例1：泵浦光为固定波长激光，如波长为454nm时，极化周期的改变对II类参量光波长的调谐曲线由图3反映，横坐标为参量光波长(nm)，纵坐标为极化周期(μm)， 图中蓝色曲线表示o偏振参量光的波长调谐，黄色曲线表示e偏振参量光的波长调谐(为 了简化叙述，在此说明，所有实施例图中横坐标均为参量光波长，蓝色曲线均为o偏振光， 黄色曲线均为e偏振光)。简并点(对应参量光波长为908nm)的极化周期为2.664μm。 由图3可得，极化周期从2.589μm增加至2.710μm(极化周期增量为ΔΛ＝0.121μm)，II 类参量光波长可以连续覆盖600nm～1800nm的波段；作为对比，图4和图5分别是相同 泵浦光波长条件下极化周期的改变对I类参量光和0类参量光的波长调谐曲线，纵坐标为 极化周期(μm)。由图4和图5可得，I类参量过程的极化周期需要从13.045μm增加至 60.5μm(极化周期增量为ΔΛI＝47.445μm)，其参量光波长才可以覆盖与前面的II类相同 范围的调谐波段(600nm～1800nm)，而0类参量过程的极化周期需要从4.03μm增加至 5.15μm(极化周期增量为ΔΛ0＝1.12μm)，其参量光波长才可以覆盖相同范围的调谐波段 (600nm～1800nm)，可见极化周期对II类参量过程的波长调谐最快，从而说明II类参 量过程在利用极化周期进行超宽频率调谐方面具有独特的优势。由图6可得，II类参量过 程的极化周期从2.589μm增加至2.950μm(极化周期增量为ΔΛ＝0.361μm)，其参量光波 长可以连续覆盖550nm～2900nm的波段，即从可见光波段连续覆盖至中红外波段。由图 7可得，II类参量过程的极化周期从2.589μm增加至3.19μm(极化周期增量为ΔΛ＝0.601 μm)，其参量光波长可以连续覆盖480nm～5200nm的波段，即从可见光的蓝紫光波段连 续覆盖至远红外波段。这种参量光子波长的宽调谐方式对应前面提到的多极化周期方法(泵浦光波长不变)。
图8为泵浦波长为454nm时，II类参量光的温度调谐曲线，纵坐标为温度(℃)。由图8可得，温度在50℃的变化范围内，波长随温度的变化极为接近线性变化。由图9可 得，即使温度变化范围为250℃，其波长随温度的变化也较为接近线性变化，可以看出波 长随温度的变化速率大小在长波方向约为1nm/℃，而短波方向约为0.4nm/℃(市面上普 通的温控器的温度调节精度就可以达到0.1℃)，因此可以通过控制温度进行精确的波长 调谐，增加超宽波长调谐的精确度。这种参量光子波长的宽调谐方式对应前面提到的温度 调谐方法(泵浦光波长不变)。
多极化周期的实现方式：1)可以利用啁啾极化的方式，使极化周期从起始极化周期 2.589μm开始，随波导长度正比例(线性)增加至2.950μm，极化区总长度可以是20mm ～50mm，这样一根波导即可实现从550nm～2900nm的超宽频率调谐，波导宽度根据所 容纳波长设计，必要时还可通过控温实现波长的精确调节，保证超宽调谐的精度；2)为 了得到更高的光子对产率，以及更为精细的调谐，可以用多根波导和多个啁啾极化实现。 例如单个芯片上设计M(M≥1)根波导，每根波导上的极化区长度为L(可以灵活变化)， 每根波导上有一种啁啾极化结构，将这M根波导按照顺序编号为1～M，设起始极化周期 的大小为Λ0(这里Λ0＝2.589μm)，则第1根波导的啁啾极化结构为Λ1(z)＝Λ0+(ΔΛ/(ML))z (z沿波导传播方向变化，0≤z≤L),第2根波导的啁啾极化结构为 Λ2(z)＝Λ1(L)+(ΔΛ/(ML))z，以此类推，中间第m根波导的啁啾极化结构为 Λm(z)＝Λ(m-1)(L)+(ΔΛ/(ML))z，最后一根波导的啁啾极化结构为ΛM(z)＝Λ(M-1)(L)+(ΔΛ/(ML))z， 而波导根数M将波长调谐图(图3、图6、图7)所示的波长调谐范围沿纵坐标方向分割 成M段，这样每根波导输出对应的一段波段，泵浦激光从第1根切换至第M根，即可连 续覆盖波长调谐图所示的全部波长范围；波导根数M决定了波长调谐的精细程度和单位 带宽上的产率，M越大，波长调节越精细，同时单位带宽上的产率就越高，再加上控制 温度进行辅助调谐，进一步增加超宽频率调谐的精确度；当极化周期增量ΔΛ＝0.601μm 时，可以实现从480nm～5200nm的精确的超宽频率调谐；理论上，在泵浦光一定的条件 下，这种结构的波长调谐范围随极化周期增量ΔΛ的增加一直增大，但是当ΔΛ＝0.601μm (泵浦光波长为454nm)时，就已经快要达到了铌酸锂材料的通光范围的极限；这种结 构即使再换一个泵浦光波长(如460nm)也可以产生超宽范围的波长调谐，仅仅是波段有 所变化，参考实施例2中的图11，即这种结构对泵浦光有很强的兼容性；当芯片结构和 调谐范围确定时，极化周期增量ΔΛ越小，调节的精细程度和单位带宽上的产率就越高； 由于实际使用到的波段范围可能仅仅是几百纳米，例如只需要图3中处于极化周期2.66 μm至2.70μm之间的波段(波段范围约为200nm)，则起始周期可以灵活设计为所需波 段的起始极化周期，即2.66μm，而极化周期增量为ΔΛ＝2.70-2.66＝0.04μm，这样极化周 期增量可以做得非常小，那么精度可以进一步提高，参量光子对的产率也可进一步提高； 3)通过多根波导、多个单周期串联的方式，同时加上温度辅助调谐实现超宽波长范围的 连续精确调谐；设单片芯片上制备了M(M≥1)根波导，每根波导上串联N(N≥1)个单周期 极化结构，每个单周期极化结构的长度为L/N，L为每根波导上极化区的总长度，这样M 根波导上总共有MN个单周期极化区域，将波导从上到下编号为1～M，每根波导上的单 周期极化区域从左至右依次编号为1～N，这样便构成了一个M*N矩阵，每个矩阵元的极化周期为Λm,n＝Λ0+ΔΛ[(m-1)N+(n-1)]/(MN-1)，即每个单周期极化区的极化周期从开始Λ0以ΔΛ/(MN-1)为增量，按照Λ1,1,Λ1,2…Λ1,N,Λ2,1,Λ2,2…Λ2,N,Λ3,1…ΛM,N的顺序依次递增 至最后一个极化区域；M*N个单周期极化区域将波长调谐曲线(图3、图6、图7)沿纵 轴以ΔΛ/(MN-1)为间隔提取M*N对窄带的参量光波波段(为单个极化周期下II类参量光 的带宽)，这些波段虽然是分离的，但是可以通过温度调谐连接起来，从而随着波导的切换实现超宽波长范围的连续精密调谐；例如芯片尺寸取55mm*12.5mm，则波导根数可取 M＝100，每根波导总的极化长度L取50mm，则每根波导上的单周期极化区个数可以取 N＝10(每个极化区长度为5mm，可保证产率足够高)，取Λ0＝2.589μm，ΔΛ＝0.601μm， 则这1000个小的极化区在480nm～5200nm的波段范围内近似均匀地提取出1000对分立 的II参量光波段，相邻波段的平均波长间隔约为Δλ＝(λmax-λmin)/(MN)＝(5200-480)/1000＝4.72 nm(其中，λmax为连续调谐范围的的上限波长，λmin为连续调谐范围的下限波长)；根据图 8和图9给出的温度调谐速率，温度变化约10～15℃即可使参量光波长在相邻的两个波段 连续变化，同时随着波导通道的切换便可实现从480nm至5200nm连续的精确的超宽频 率调谐；波导根数M和每个波导上的单周期极化数N共同决定了波长调谐的精细程度， M*N越大，波长调节越精细，同时加上控制温度进行精确的调谐，使分立的波段连接起 来，从而实现连续的精确的超宽频率调谐；当极化周期增量ΔΛ＝0.601μm时，可以实现 从480nm～5200nm的精确的超宽频率调谐；理论上，在泵浦光一定的条件下，这种结构 的波长调谐范围随极化周期增量ΔΛ的增加一直增大，但是当ΔΛ＝0.601μm(泵浦光波长 为454nm)时，就已经快要达到了铌酸锂材料的通光范围的极限；这种结构即使再换一 个泵浦光波长(如460nm)也可以产生超宽范围的波长调谐，仅仅是波段有所变化，参 考实施例2中的图11，说明这种结构对泵浦光有很强的兼容性；当芯片结构和调谐范围 确定时，极化周期增量ΔΛ越小，调节的精细程度就越高，由于实际使用到的波段范围可 能仅仅是几百纳米，所以起始周期可以灵活设计为所需波段的起始极化周期，这样极化周 期增量可以做得非常小，那么精度可以进一步提高，由于调谐波段范围小，则单周期极化 区的数量就少，单周期的极化长度也就相应增加，则参量光子对的产率可进一步提高；例 如我们只需要图3中处于极化周期2.66μm至2.70μm之间的波段(波段范围约为200nm)， 那么起始极化周期则为2.66μm，极化周期增量为ΔΛ＝2.70-2.66＝0.04μm，取M*N＝10*5＝50， 则相邻极化周期产生的参量光的平均波长间隔约为4nm，控制温度变化约10～15℃即可 实现精确连续的波长调谐；4)考虑到实际用途上可能有时需要快速调谐，有时需要慢调 谐，有时需要单一波长或固定波长等多种需求，这些需求都可以通过单片集成多根波导和 多种极化结构，再加上温度辅助调谐实现，即把前面三种实现方式都集成到一个芯片上， 外加一些单周期的结构用于产生单一波长或固定波长的II类参量光，即可实现满足几乎 所有量子信息技术的波段需求。
实施例2：泵浦光激光固定波长为635nm时，极化周期的改变对II类参量光 波长的调谐曲线由图9、图12和图13反映，纵坐标为极化周期(μm)，简并点(对 应参量光波长为1370nm)的极化周期为6.264μm，由于此时的调谐曲线没有最小 周期点，因此将简并点设为起始极化周期Λ0＝6.264μm。由图可得，极化周期从 6.264μm减小至5.7μm(极化周期增量为ΔΛ＝5.7-6.264＝-0.564μm)，II类参量 光波长可以连续覆盖920nm～2050nm的波段；作为对比，图10和图11分别是 相同泵浦光波长条件下极化周期的改变对I类参量光和0类参量光的波长调谐曲线， 纵坐标为极化周期(μm)。由图10和图11可得，I类参量过程的极化周期需要从 -32.52μm(周期前面的负号表示倒格矢的方向与计算假设的相反)增加至-25.1μm (极化周期增量为ΔΛI＝7.42μm)，其参量光波长才可以覆盖与前面的II类相同范围的调谐波段，而0类参量过程的极化周期需要从11.51μm增加至12.7μm(极化 周期增量为ΔΛ0＝1.19μm)，其参量光波长才可以覆盖相同范围的调谐波段，通过 比较极化周期增量的绝对值|ΔΛ|可得，极化周期对II类参量过程的波长调谐最快， 从而说明II类参量过程在利用极化周期进行超宽频率调谐方面具有独特的优势。
由图12可得，II类参量过程的极化周期从6.264μm减小至5.5μm(极化周期增量为ΔΛ＝-0.764μm)，其参量光波长可以连续覆盖750nm～4360nm的波段，即从近可见光 波段连续覆盖至中红外波段。由图13可得，II类参量过程的极化周期从6.264μm减小至 5.41μm(极化周期增量为ΔΛ＝-0.854μm)，其参量光波长可以连续覆盖700nm～5200nm 的波段，即从可见光波段连续覆盖至远红外波段。
图14和图15为II类参量光的温度调谐曲线，纵坐标为温度(℃)。由图14可得， 温度在50℃的变化范围内，波长随温度的变化极为接近线性变化。由图15可得，即使 温度变化范围为250℃，其波长随温度的变化也较为接近线性变化，可以看出波长随温度 的变化速率大小约为0.48nm/℃，因此可以通过控制温度进行精确的波长调谐，增加超宽 波长调谐的精确度。
实施例3：当泵浦光为可调谐激光器时，泵浦光波长改变对II参量光波长进行调谐的曲线由图16和图17所示，纵坐标为泵浦光波长(nm)，极化周期为410nm→820nm 的极化周期(简并点的极化周期)1.944μm(单周期极化结构)，即当泵浦光为410nm时 可以产生波长为810nm的简并光子对，而当泵浦光波长从410nm调至412.5nm(泵浦光 波长变化量2.5nm)时，输出的II参量光波长可以连续覆盖610nm～1260nm波段范围， 即从可见光波段连续覆盖至近红外波段。当泵浦光波长从400nm调至412.5nm时，输出 的II参量光波长可以连续覆盖520nm～1780nm波段范围，即从可见光波段连续覆盖至红 外波段。实现方式主有：1)使用单根波导单周期极化结构，再加上控温的方式进行辅助 调谐，以增加调谐的精度，即可实现大范围的连续的精确的波长调谐，该实现方式结构最 为简单，只需一个到和一个单周期极化结构即可实现；2)如需要更大的波段范围，则需 要多根波导或多周期结构串联的方式实现，与实施例1中的实现方式3)相同，这里就不 再赘述(参考实施例1和实施例2中的论述)，通过调节泵浦光波长即可实现超宽范围的 连续调谐，最大可达460nm～5200nm，再以温度调谐的方式进行辅助调谐，增加精确度 即可。
Claims (5)
1.基于II类参量下转换的超宽频率调谐量子光源芯片，其特征是，在包括铌酸锂的铁电材料上设有多个串行或/和并行相结合的形式的具有极化的畤反转区域的波导，畤反转的极化周期设计使得发生的非线性过程是II类参量转换的，即参量下入射光转换过程是线偏光泵浦产生两种正交偏振光的偏振组合形式。
2.根据权利要求1所述的量子光源芯片，其特征是，芯片极化区域包括串行和并行的各个畤反转波导中的极化结构都不相同，特定的泵浦光波长入射到串行和并行的各个畤反转区域产生不同频率的正交偏振下转换光子对，在固定的泵浦光波长条件下即可实现宽频率调谐。
3.根据权利要求1所述的量子光源芯片，其特征是，II类参量下转换过程产生光子对的频率宽调谐方式包含设计串行和并行的多个畤反转波导、调节泵浦光波长、控制芯片温度，从而实现光子对波长的连续超宽调节。
4.根据权利要求1所述的量子光源芯片，其特征是，在铌酸锂等铁电材料基片上制备多通道波导光路和多个极化区域，并在波导的输入输出端进行光纤(2、14)耦合固接封装(3、13)；通过输入端的光纤(2)将泵浦激光(1)输入波导(5)中；泵浦光经由过度波导(6)保持单模状态输入到处在极化区域(8-12)的波导(7)中，发生II类参量下转换过程，并产生纠缠光子对；纠缠光子对通过耦出光纤(14)输出。泵浦激光(1)可以在任意一根输入光纤(2)上自由切换(切换方式可以是简单的法兰盘插拔，可以是一进多出的分束器同时泵浦芯片上的多根波导，可以是光开关等)。波导阵列(5、6、7)的波导根数可以是一根到几百根不等，可根据实际需求定制；波导阵列(5、6、7)中每根波导的宽度可以任意设计，任意变化，可以相同，可以不同，可渐变，可根据实际用途进行定制。
5.根据权利要求1所述的量子光源芯片，其特征是，极化区域所发生的II类参量下转换过程包括简并和非简并两种情形，所产生的量子光源包括时间能量纠缠、偏振纠缠、频率纠缠、偏振与频率的同时纠缠以及时间、能量、偏振、频率同时纠缠等，还包括探测一个光子预知另外一个的可预知超宽频率调谐单光子源。
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| CN202110033399.3A Active CN113156736B (zh) | 2021-01-12 | 2021-01-12 | 一种基于ii类参量下转换的超宽频率调谐量子光源芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113156736B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114759422A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-15 | 电子科技大学 | 一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器 |
| WO2024078970A1 (de) * | 2022-10-10 | 2024-04-18 | Q.ant GmbH | Laserlichtquelle mit einer halbleitervorrichtung |
| WO2024084707A1 (ja) * | 2022-10-21 | 2024-04-25 | 日本電信電話株式会社 | 波長変換素子の製造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20080075410A1 (en) * | 2006-09-22 | 2008-03-27 | Sean Spillane | Compact, single chip-based, entangled polarization-state photon sources and methods for generating photons in entangled polarization states |
| US20120063769A1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-03-15 | At&T Intellectual Property I, L.P. | Bandwidth Provisioning for an Entangled Photon System |
| CN112068336A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-12-11 | 南京大学 | 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 |
-
2021
- 2021-01-12 CN CN202110033399.3A patent/CN113156736B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN113156736B (zh) | 2022-11-11 |
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