CN114675465B - 一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，包括；第一微环谐振腔与所述第一波导处于临界耦合状态；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔半径的整数倍；第一微环谐振腔用于泵浦光的谐振，泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光波长处自发生成光子对；生成的信号光子和闲频光子在第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长处产生；泵浦光的波长为第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合的谐振峰对应的波长。使用脉冲泵浦时，当泵浦光的谐振峰宽度比信号光和闲频光谐振峰的宽度宽时，产生的光子对在频率上会解除纠缠关联，产生纯态的单光子。本发明通过调控基于微环谐振腔的量子光源的谐振峰，达到产生光谱解纠缠光子对发射的效果。

Description

一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法

技术领域

本发明属于量子光学领域，更具体地，涉及一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法。

背景技术

量子纠缠是一种来源于非经典量子力学的性质，它在诸多量子技术的应用中，起到了至关重要的作用，例如量子计算、量子信息技术等。然而，在光量子技术中，基于非线性量过程的光子对产生技术中，有一些纠缠的性质是实际应用中不需要的，必须极力避免的，例如自发四波混频过程以及自发参量下转换过程中产生光子的光谱频率纠缠。频率上的纠缠会导致产生的光子不是纯态，也就是，存在非经典的关联，这样的关联会导致后续利用单光子时的一些操作失败率增加。通过改变微环谐振腔的光谱结构，可以影响产生光子对的纠缠特性，从而消除光谱上的频率纠缠，让量子光源能够很好地在量子技术中得到应用。

基于微环谐振腔光谱调控实现光谱解纠缠发射光子对的方法是具有很大使用意义的。通过将一束脉冲泵浦光耦合进入微环谐振腔，在腔内发生自发四波混频过程，产生与泵浦光频率左右对称的信号光和闲频光，通过所述过程产生的光子对在量子技术的应用中被称为宣布式单光子源，其基本原理如图1所示；光谱解纠缠的特性来源于泵浦光的谐振峰相对于信号光和闲频光的谐振峰更宽，这样的设置可以抹去两个产生光子在频率上的关联性，也就是，当确定其中一个光子的频率时，没有办法得知另外一个光子的频率；这样的特性被称为光子对光谱频率的解纠缠。

在单一的微环谐振腔结构中，由于泵浦光的谐振峰和信号光，闲频光的谐振峰宽度基本一致，所以无法达到完全的光谱解纠缠光子对产生。

在以往的基于光纤或基于微腔非线性效应的光谱解纠缠光子对的产生系统中，有几种方法可以实现光谱解纠缠的光子对发射。在光纤中，通过自发四波混频的光子对产生过程可以通过对光纤色散的管理来控制四波混频过程的相位匹配条件，从而调控光子在频率域上的态密度，进一步地控制光谱上的关联。在基于微腔的系统中，通常会使用能分别调节泵浦光谐振峰和信号光，闲频光谐振峰的非对称耦合技术来实现所述功能，例如，使用非对称马赫-曾德尔干涉臂耦合的微腔来实现。但是这种方法在对器件的实现上具有一定的弊端，器件的耦合点比较多，在芯片的流片过程中难以控制耦合强度的大小和损耗。另外，实际的量子应用中，常选择后选择滤波的方法来实现纠缠的解除，但是，滤波器的作用会使能够使用的光子数目大大下降，大幅降低光源的亮度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，旨在解决基于非线性过程的宣布式单光子源中，光子对之间存在光谱纠缠从而导致的多光源之间量子干涉可见度下降的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种产生光谱解纠缠光子对的系统，包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一波导以及第二波导；

所述第一波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，第二微环谐振腔与第二波导耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的N倍，以使第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔的谐振峰不完全重叠分布，N为整数且N大于1；

设所述第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗之和为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔重叠的谐振峰处产生模式劈裂，以将重叠的谐振峰展宽，使得所述不完全重叠的谐振峰呈窄宽窄的趋势分布；其中，窄谐振峰为第一微环谐振腔谐振峰中未与第二微环谐振腔谐振重叠的谐振峰；

在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔与第一波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；第二微环谐振腔与第二波导耦合的耦合系数为第三耦合系数；所述第一耦合系数小于第二耦合系数和第三耦合系数，第三耦合系数大于第二耦合系数。

在一个可选的示例中，所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，使得向所述第一波导输入泵浦光后，所述泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔；

所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述第一波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述第一波导引入的耦合损耗等于第二波导引入的耦合损耗、第一微环谐振腔本征损耗以及第二微环谐振腔本征损耗三者之和。

在一个可选的示例中，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数以及第三耦合系数，以控制展宽后谐振峰的带宽；

控制第二微环谐振腔的本征损耗和第三耦合系数，以控制窄谐振峰的带宽；

在控制重叠的谐振峰处产生模式劈裂，且控制第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，使泵浦谐振峰加宽。

在一个可选的示例中，所述重叠的谐振峰产生模式劈裂，具体指：重叠的两个谐振峰处发生劈裂，但并未完全分开，形成一个具有一定宽度的谐振峰，模式劈裂后的谐振峰的宽度相比未发生劈裂谐振峰的宽度增加。

在一个可选的示例中，所述信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；

所述泵浦光的波长为展宽后的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为窄谐振峰对应的波长；

所述泵浦光在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振；信号光波长和闲频光波长在第一微环谐振腔内能产生谐振，在第二微环谐振腔内不能产生谐振。

第二方面，本发明提供了一种产生光谱解纠缠光子对的方法，包括如下步骤：

将所述第一波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，第二微环谐振腔与第二波导耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的N倍，以使第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔的谐振峰不完全重叠分布，N为整数且N大于1；

设所述第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗之和为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔重叠的谐振峰处产生模式劈裂，以将重叠的谐振峰展宽，使得所述不完全重叠的谐振峰呈窄宽窄的趋势分布；其中，窄谐振峰为第一微环谐振腔谐振峰中未与第二微环谐振腔谐振重叠的谐振峰；

在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔与第一波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；第二微环谐振腔与第二波导耦合的耦合系数为第三耦合系数；所述第一耦合系数小于第二耦合系数和第三耦合系数，第三耦合系数大于第二耦合系数。

在一个可选的示例中，所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，使得向所述第一波导输入泵浦光后，所述泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔；

所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述第一波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述第一波导引入的耦合损耗等于第二波导引入的耦合损耗、第一微环谐振腔本征损耗以及第二微环谐振腔本征损耗三者之和。

在一个可选的示例中，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数以及第三耦合系数，以控制展宽后谐振峰的带宽；

控制第二微环谐振腔的本征损耗和第三耦合系数，以控制窄谐振峰的带宽；

在控制重叠的谐振峰处产生模式劈裂，且控制第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，使泵浦谐振峰加宽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，输入泵浦光波长在第一与第二微环谐振腔能产生谐振，并且由于两个微环谐振腔谐振峰的耦合，谐振峰宽度有所增加，从而达到泵浦光谐振峰宽度大于信号光和闲频光谐振峰宽度的目的，实现分立地调控微环谐振腔的光谱功能。此时，由于微环谐振腔的场增强效应，宽带的脉冲光能够谐振并自发产生信号光与闲频光。一般认为，只要泵浦光的谐振峰宽度大于信号光和闲频光的谐振峰宽度三倍以上时，光谱纯度就可以达到99％以上。这是由于泵浦光对应的谐振峰光谱更宽导致产生的信号光子和闲频光子在光谱上的频率关联信息被抹去，从而实现了光谱上的解除纠缠，使得产生的信号光子和闲频光子为纯态的单光子，纯态的单光子是光量子技术的基础。

本发明提供一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，通过两个微环谐振腔耦合的结构为基础，微环谐振腔结构较小，(一般半径在200um以内)，相比高非线性光纤结构(一般长度在百米级以上)，可以在芯片上更好地集成化。

本发明提供一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔为三阶非线性材料，这种材料损耗相对比较低，可以降低功耗。

本发明提供一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的方法为：使所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一；上述耦合强度值的设置为谐振峰刚开始劈裂的位置，但是谐振峰并没有完全劈裂的状态；当两个谐振峰处于上述状态之间能更好实现量子光子的产生并用于实际。

附图说明

图1是现有技术提供的自发四波混频原理的示意图；

图2是本发明实施例提供的两个微环谐振腔两个波导耦合的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第一微环谐振腔内对泵浦光，信号光和闲频光的能量谐振增强谱图；

图4是本发明实施例提供的产生光子对的联合光谱密度示意图，以及计算得到的光谱纯度结果图；

图5是本发明实施例提供的产生光谱解纠缠光子对方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种产生光谱解纠缠光子对的系统及方法，属于量子光学领域，系统包括；第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一波导和第二波导；第一微环谐振腔与所述第一波导处于临界耦合状态；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔半径的整数倍；第一微环谐振腔用于泵浦光的谐振，泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光波长处自发生成光子对；生成的信号光子和闲频光子在第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长处产生，且不是第二微环谐振腔的谐振峰对应的波长；泵浦光的波长为第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合的谐振峰对应的波长。使用脉冲泵浦时，当泵浦光的谐振峰宽度比信号光和闲频光谐振峰的宽度宽时，产生的光子对在频率上会解除纠缠关联，产生纯态的单光子。本发明通过调控基于微环谐振腔的量子光源的谐振峰，从而调控双光子波函数，达到产生光谱解纠缠光子对发射的效果。

本发明提供了一种光谱解纠缠发射光子对的系统，包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一波导和第二波导；

第一微环谐振腔与第一波导处于临界耦合状态，耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，耦合系数为第二耦合系数，耦合波长处的谐振峰对应的模式部分劈裂；第二微环谐振腔与第二波导耦合，耦合系数为第三耦合系数，耦合获取的输出带宽比传输信号的带宽大；第三耦合系数略大于第二耦合系数；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的整数倍；

第一波导用于输入泵浦光；第二波导用于输出信号光和闲频光并调节第三耦合系数的大小；第一微环谐振腔和第二微环谐振腔用于泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光自发地产生；第二波导用于输出信号光和闲频光；

其中，信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；泵浦光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰和第二微与谐振腔耦合的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长，且不是第二微环谐振腔耦合的谐振峰对应的波长。

优选地，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的材料为三阶非线性材料。

优选地，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一是实现第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的条件；

其中，第一损耗为第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗的总损耗；

第二损耗为第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗的总损耗。

优选地，第一微环谐振腔与第一波导处于临界耦合状态的获取方法为：

通过调节第一波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得第一波导引入的耦合损耗与其他剩余损耗相等。

优选地，在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

优选地，控制第一微环谐振腔的本征损耗和第二谐振腔的本征损耗，以及第一耦合系数和第三耦合系数，可以控制耦合的谐振峰的带宽(宽峰)；控制第二微环谐振腔的本征损耗和第三耦合系数，可以控制不发生耦合的谐振峰的带宽；当参数设置满足产生模式劈裂和泵浦光临界耦合的要求时，通过增加第一耦合系数和第一谐振腔的本征损耗，可以使泵浦谐振峰加宽。

另一方面，本发明基于上述提供的产生光谱解纠缠光子对的系统，提供了相应的基于脉冲光泵浦的量子光子产生方法，包括以下步骤：

将泵浦光输入至第一微环谐振腔中进行谐振增强，提高第一微环谐振腔内的功率；

信号光与闲频光在自发四波混频的作用下，基于自发四波混频的相位匹配条件，自发地在第一微环谐振腔内产生信号光子和闲频光子；

信号光和闲频光经过第二微环谐振腔，并且不在第二微环谐振腔谐振，由第二波导输出；

其中，所述第一微环谐振腔与第一波导处于临界耦合状态，所述第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰对应的模式部分劈裂；所述第三耦合系数略大于第二耦合系数；所述第一微环谐振腔的半径为所述第二微环谐振腔半径的整数倍；

信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；泵浦光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰和第二微与谐振腔耦合的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长，且不是第二微环谐振腔耦合的谐振峰对应的波长。

优选地，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的方法为：使第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一；

其中，第一损耗为第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗的总损耗；

第二损耗为第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗的总损耗。

优选地，第一微环谐振腔与所述第一波导处于临界耦合状态的获取方法为：

通过调节所述第一波导与所述第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述第一波导引入的耦合损耗与其他剩余损耗相等。

本发明先采用两个不同的微环谐振腔互相耦合，再采用两个波导对两谐振腔分别耦合；利用微环谐振腔的互相耦合以及不同波导对各微环谐振腔的耦合带来的效果，调节泵浦光的谐振峰，将其展宽，并且不影响信号光谐振峰和闲频光谐振峰的高品质因子，在保证自发四波混频的效率的同时，实现光谱解纠缠的光子对发射，从而成功地实现具有独特性质的高品质量子光源。同时，系统的高集成度和低功耗能够很好地确保其在集成量子应用中展现作用。

本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统具备如下特点：(1)第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的尺寸不同，第一微环谐振腔周长可以设置为第二微环谐振腔周长的整数倍；与此同时两个微环谐振腔的损耗越低越好；(2)第二波导与第二微环谐振腔间耦合时要保证泵浦光带宽比信号光与闲频光的谐振峰的带宽大；(3)第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合要能保证两环耦合处的谐振峰产生轻微的模式劈裂；为达到该效果，需要使第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度值略大于第二微环谐振腔的本征损耗、第二波导带来的耦合损耗、第一微环谐振腔的本征损耗和第一波导带来的耦合损耗之和的四分之一；例如，可将第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度值取为第一损耗和第二损耗之间差值四分之一的1.1倍；其中，第一损耗为第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗的总损耗；第二损耗为第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗的总损耗。(4)第一波导与第一谐振腔间耦合要保证达到临界耦合；通过调控第一波导和第一谐振腔的耦合强度，使第一波导带来的耦合损耗和系统其他整体损耗大致相等，此时能达到临界耦合，使在第一波导输入光在其输出口基本消光。

作为本发明的一个实施例，第一耦合系数远小于第二耦合系数和第三耦合系数，第三耦合系数大于第二耦合系数；其中，第一耦合系数是指第一波导与第一微环谐振腔之间的耦合系数，第二耦合系数是指第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合系数，第三耦合系数是指第二波导与第二微环谐振腔之间的耦合系数。

本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统可以根据如下方法制备：

(1)确定转换泵浦光的带宽，比如可以将带宽设定为12GHz；

(2)确定耦合系数，比如可以将耦合系数设定为：第一耦合系数为0.1341，第二耦合系数为0.27，第三耦合系数为0.58；

(3)根据耦合系数确定信号光的带宽和闲频光的带宽，确保信号光和闲频光的带宽要小于泵浦光的带宽的三分之一，比如可以将信号光和闲频光的带宽定为2GHz；

(4)将两个尺寸不同的第一微环谐振腔与第二微环谐振腔分别与第一波导、第二波导耦合，由此构成双谐振腔双波导结构。

按照上述方法提供的光谱解纠缠光子对产生系统，从第一微环谐振腔耦合的第一波导一侧输入一束能在第一谐振腔和第二谐振腔内谐振的泵浦光，所产生的信号光的波长与闲频光的波长为不与第二微环谐振腔耦合的第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长，且关于泵浦波长对称；由于第一波导与第一微环谐振腔之间达到了临界耦合，使得泵浦光全部耦合至第一微环谐振腔内，在第一谐振腔内得到极大的谐振增强，使得第一微环谐振腔内功率水平很高，导致自发四波混频效率很高；在第二微环谐振腔内，虽然泵浦光也存在谐振，但是关于其对称的信号光频率处于闲频光频率处不存在谐振峰，所以自发四波混频过程在第二谐振腔内基本不会发生；由于产生的信号光和闲频光在第二微环谐振腔内不谐振，同时由于第三耦合系数比较大，信号光和闲频光会因此从第二波导输出。

根据自发四波混频的相位匹配条件，在上述泵浦光的设置方式下，信号光会在信号光波长处产生，闲频光会在闲频光波长处产生，且信号光波长和闲频光波长关于泵浦光波长对称；同时因为在上述泵浦光的设置方式，泵浦光的谐振峰因为两个微环谐振腔的耦合而展宽，抹去了产生的信号光子和闲频光子在频率上的关联信息，实现了光谱解纠缠的发射。

本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统可以实现具有高光谱纯度的光子对的发射而且设计起来非常方便。

为了更进一步说明本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统的优势，现将其与现有技术进行比较分析：

(1)与高非线性光纤系统相比，本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统系统包含双谐振腔双波导结构，由于微环谐振腔的谐振增强作用，比高非线性的增强大了很多倍，所需的材料长度大大降低，使得该结构更适合集成化和小型化，同时，不需要特别的色散管理，即可实现光子的光谱解纠缠发射。

(2)与波导结构相比，本发明提供的光谱解纠缠光子对产生系统利用微环谐振腔的谐振增强作用，可以显著的降低功耗，增大峰值增益，并且不需要后续的滤波操作。

(3)本发明可以很好地兼顾光子对的发射速率，光源亮度以及实现光谱解纠缠的光子对的发射，实现功能性的，能广泛应用的量子光源。

如图2所示，使用两个损耗系数很低且半径不一的两个微环谐振腔相互耦合。根据微环谐振条件，当入射光波长满足

时，输入光会在微环谐振器内发生谐振。其中，m为谐振阶数；n_eff为材料的有效折射率；L为微环谐振腔的长度；图2中两微环谐振腔的周长分别为L₁，L₂；通过对材料的选择和微环半径的选择，使得两微环谐振腔之间具有一个对准的谐振峰，因此要求第一微环谐振腔的周长为第二微环谐振腔的整数倍，对准的谐振峰对应的波长可以同时在双环内达到谐振状态。

一般可选用两材料相同，半径不同的微环谐振腔。如使用n_eff＝1.9的材料，L₁＝1600um，L₂＝800um的两环，在1550.8nm处均为两微环谐振腔的谐振波长。由于两个微环谐振腔的半径不同，自由光谱范围(FSR)存在一些没有对准的谐振峰，在这些波长处两个微环谐振腔没有耦合，互相影响极小，如图3左边和右边的两个谐振峰所示。同时由于两个环的周长存在着倍数关系，所以每隔一定的周期，两环的谐振峰会重合，此时两个微环谐振腔处于耦合状态，由于耦合作用使得对准处的谐振峰有很大的带宽，如图3中间的谐振峰所示。

利用双谐振腔双波导结构实现自发四波混频产生量子光子，原理如图1所示。利用非简并自发四波混频(SFWM)，如图1一束中心频率为ω_p的泵浦光自发地将能量传输给频率为ω_s的信号光和频率为ω_i的闲频光，信号光和闲频光的频率位于泵浦光的两侧并且关于泵浦光对称。三束光的频率满足2ω_p＝ω_s+ω_i。

在本发明中，通过波导和微环谐振腔进行侧面耦合，具体如下：第一微环谐振腔耦合的第一波导输入泵浦光，其波长对应于图3中间的谐振峰，调节第一波导与第一微环谐振腔的耦合，使其处于临界耦合状态，此时泵浦光在第一微环谐振腔内得到极大的谐振增强，同时也分布在第二谐振腔内；在第一微环谐振腔内，满足相位匹配条件的谐振峰处，如图3两边的谐振峰，会自发地产生信号光和闲频光子对，此处应注意，只要满足信号光波长和闲频光波长对应于未耦合的谐振峰波长，并且关于泵浦光频率对称即可，可以间隔多个第一微环谐振腔的FSR。

第一波导与第一微环谐振腔的耦合系数为k₁，传输系数为r₁，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合系数为k₂，传输系数为r₂，第二微环谐振腔与第二波导之间的耦合系数为k₃，传输系数为r₃。第一微环谐振腔的环程透过系数为a₁，第二谐振腔的环程透过系数为a₂，微环谐振腔的环程透过系数决定了自身的损耗a＝exp(-βL/2)大小，其中，β为微环谐振腔中的光场传输损耗系数，包括弯曲损耗和散射损耗等等。微环谐振腔的环程透过系数a与微环谐振腔的腔长和光场传输损耗系数β有关。

对双微环系统，有

F_p为场增强因子，通过调节参数可以使

此时泵浦光处于临界耦合状态，拥有高增益，并且泵浦谐振峰的带宽展宽，保证量子态可以解纠缠发射。上述的一组具体参数值由下表1给出；

表1

在自发四波混频过程中，光子产生的过程可以被描述为

其中，ω_s，ω_i分别为信号光子，闲频光子的频率；

分别为信号光子和闲频光子对应的产生算符；φ(ω_s,ω_i)是双光子波函数，也就是，信号光子和闲频光子在频率域上出现的概率幅分布；A是一个常数，保证量子态的概率归一化；|vac>表示真空态。

对于一个量子态|ψ>，评价它的子系统的纠缠程度往往会对它的密度矩阵求施密特分解，确定施密特模式的个数。对于具有解析表达的量子态，可以直接使用表达式计算，其中，态的纯度定义为P＝tr[(|ψ><ψ|)/(ψ|ψ>)²]，也就是量子态的外积和量子态的内积之比的平方的迹，也就是，该量子态密度矩阵的平方的迹。同时，φ²(ω_s,ω_i)称为联合光谱强度，将它带入到纯度的表达式中，可以确定量子态的纯度。当纯度等于1时，此时称量子态为纯态，也就是它的子系统之间完全不纠缠；当纯度小于1时，此时的量子态则为纠缠态，并且纯度越小，它的子系统之间的纠缠程度越大。一个基于本实施例的联合光谱强度图和对应的光谱纯度如图4所示。图4中，联合光谱强度由热力图给出，越亮的联合频率处，光子出现的概率越大，越暗处，光子出现的概率越低。根据此联合光谱强度计算密度矩阵的平方的迹，也就是，光谱纯度，得到纯度>99％，表明采用本发明系统所产生的双光子在频率上基本不纠缠，光谱纯度很高。

本发明实施例中通过构建双谐振腔双波导耦合结构，实现了光谱的分立调控，对泵浦光谐振峰进行展宽，从而成功地实现光谱解纠缠的光子对发射。

输入泵浦光波长在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内能产生谐振；输出的信号光波长和闲频光波长在第一微环谐振腔内能谐振，但不在第二微环谐振腔内能谐振。此时，由于两波导与两微环谐振腔的耦合系数不同，泵浦光谐振峰较宽，从而实现了在光谱上能够解除信号光子和闲频光子纠缠的光谱结构，达到发射光谱解纠缠光子对的目的。

图5是本发明实施例提供的产生光谱解纠缠光子对方法的流程图，如图5所示，包括如下步骤：

S101，将所述第一波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，第二微环谐振腔与第二波导耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的N倍，以使第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔的谐振峰不完全重叠分布，N为整数且N大于1；

S102，设所述第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗之和为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔重叠的谐振峰处产生模式劈裂，以将重叠的谐振峰展宽，使得所述不完全重叠的谐振峰呈窄宽窄的趋势分布；其中，窄谐振峰为第一微环谐振腔谐振峰中未与第二微环谐振腔谐振重叠的谐振峰；

S103，在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

具体地，图5中各个步骤的详细方法实现可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产生光谱解纠缠光子对的系统，其特征在于，包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一波导以及第二波导；

所述第一波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，第二微环谐振腔与第二波导耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的N倍，以使第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔的谐振峰不完全重叠分布，N为整数且N大于1；

设所述第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗之和为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔重叠的谐振峰处产生模式劈裂，以将重叠的谐振峰展宽，使得所述不完全重叠的谐振峰呈窄宽窄的趋势分布；其中，窄谐振峰为第一微环谐振腔谐振峰中未与第二微环谐振腔谐振重叠的谐振峰；

在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一微环谐振腔与第一波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；第二微环谐振腔与第二波导耦合的耦合系数为第三耦合系数；所述第一耦合系数小于第二耦合系数和第三耦合系数，第三耦合系数大于第二耦合系数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，使得向所述第一波导输入泵浦光后，所述泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔；

所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述第一波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述第一波导引入的耦合损耗等于第二波导引入的耦合损耗、第一微环谐振腔本征损耗以及第二微环谐振腔本征损耗三者之和。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数以及第三耦合系数，以控制展宽后谐振峰的带宽；

控制第二微环谐振腔的本征损耗和第三耦合系数，以控制窄谐振峰的带宽；

在控制重叠的谐振峰处产生模式劈裂，且控制第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，使泵浦谐振峰加宽。

5.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述重叠的谐振峰产生模式劈裂，具体指：重叠的两个谐振峰处发生劈裂，但并未完全分开，形成一个具有一定宽度的谐振峰，模式劈裂后的谐振峰的宽度相比未发生劈裂谐振峰的宽度增加。

6.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；

所述泵浦光的波长为展宽后的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为窄谐振峰对应的波长；

所述泵浦光在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振；信号光波长和闲频光波长在第一微环谐振腔内能产生谐振，在第二微环谐振腔内不能产生谐振。

7.一种产生光谱解纠缠光子对的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将第一波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，第二微环谐振腔与第二波导耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的N倍，以使第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔的谐振峰不完全重叠分布，N为整数且N大于1；

设所述第一微环谐振腔本征损耗和第一波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔本征损耗和第二波导引入的耦合损耗之和为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔重叠的谐振峰处产生模式劈裂，以将重叠的谐振峰展宽，使得所述不完全重叠的谐振峰呈窄宽窄的趋势分布；其中，窄谐振峰为第一微环谐振腔谐振峰中未与第二微环谐振腔谐振重叠的谐振峰；

在展宽后的谐振峰处向所述第一波导输入脉冲光作为泵浦光，在所述窄谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽大于窄谐振峰带宽的三倍以上，使得所产生的信号光光子和闲频光光子在光谱频率上解纠缠，得到解纠缠后的光子对并输出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一微环谐振腔与第一波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；第二微环谐振腔与第二波导耦合的耦合系数为第三耦合系数；所述第一耦合系数小于第二耦合系数和第三耦合系数，第三耦合系数大于第二耦合系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，使得向所述第一波导输入泵浦光后，所述泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔；

所述第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述第一波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述第一波导引入的耦合损耗等于第二波导引入的耦合损耗、第一微环谐振腔本征损耗以及第二微环谐振腔本征损耗三者之和。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数以及第三耦合系数，以控制展宽后谐振峰的带宽；

控制第二微环谐振腔的本征损耗和第三耦合系数，以控制窄谐振峰的带宽；

在控制重叠的谐振峰处产生模式劈裂，且控制第一波导与第一微环谐振腔处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，使泵浦谐振峰加宽。

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