CN114755870B - 一种频率片纠缠双光子源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种频率片(frequency‑bin)纠缠双光子源，属于量子信息科学技术领域。本发明的频率片纠缠双光子源基于改进Sagnac环结构，通过正交偏振激光双向泵浦光纤耦合二阶非线性晶体波导中级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生关联光子对，进而通过偏振控制、量子干涉和偏振分束产生频率片纠缠光子对。采用本发明结构获得的双光子具有高亮度、高纯度的优势，可实现频率片纠缠双光子源结构的小型化和集成化，且本发明所用器件均可采用现有的成熟光纤通信器件，具有较高的实用性。

Description

一种频率片纠缠双光子源
技术领域
本发明属于量子信息科学技术领域，具体涉及一种频率片纠缠双光子源。
背景技术
频率片纠缠光子对是量子信息技术中一种重要资源，在量子精密测量、量子密码学、在有噪声存在的信道中进行的量子通信、量子干涉仪中非定域色散抵消等方面具有应用潜力。
频率片纠缠光子对的产生通常需要通过非线性光学介质中的非线性光学过程来实现，常见的过程包括二阶非线性光学过程和三阶非线性光学过程。例如，周期极化铌酸锂晶体(PPLN)、周期极化磷酸钛氧钾晶体(PPKTP)等非线性晶体中的自发参量下转换过程，色散位移光纤中的自发四波混频过程等。
目前通过块状二阶非线性晶体产生频率片纠缠光子对的方法，通常需要通过空间光路实现，不能满足系统小型化和集成化的需求；而通过自发四波混频过程这种三阶非线性过程产生纠缠光子对的效率相对较低，因而导致纠缠光子对的产生速率较低。同时，在利用自发四波混频效应产生频率片纠缠光子对的方案中，将能量-时间纠缠光子对注入非平衡马赫-曾德尔干涉仪的方法是一种主要的技术路线，该方法纯输出的关联光子对处于混态，频率片纠缠的纯度低，在应用过程中需要时域滤波。因此，量子信息技术目前亟需实现小型化、集成化、高亮度、高纯度的频率片纠缠量子光源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种频率片纠缠双光子源及产生频率片纠缠双光子的方法，本发明基于改进Sagnac环结构，通过正交偏振激光双向泵浦光纤耦合二阶非线性晶体波导中级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生关联光子对，进而通过偏振控制、量子干涉和偏振分束产生频率片纠缠光子对。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种频率片纠缠双光子源，包括依次连接的泵浦激光源1、光放大器2、可调光衰减器3、光滤波器4、偏振控制器5和密集波分复用器6，其中，所述偏振控制器5与所述密集波分复用器6的透射端(T端)连接；
所述频率片纠缠双光子源还包括第一半波片8、第二半波片10、空间光偏振分束器9、第一光纤准直器7、第二光纤准直器11、第三光纤准直器12、光纤耦合二阶非线性晶体波导13和光纤偏振分束器14；
所述密集波分复用器6的公共端(C端)与第一光纤准直器7相连接，光纤耦合二阶非线性晶体波导13的两端分别与第二光纤准直器11和第三光纤准直器12相连接，第一光纤准直器7和第二光纤准直器11之间依次有第一半波片8、空间光偏振分束器9和第二半波片10，第三光纤准直器12位于空间光偏振分束器9和光纤耦合二阶非线性晶体波导13之间，密集波分复用器6的反射端(R端)与光纤偏振分束器14相连接，空间光偏振分束器9、第二半波片10、第二光纤准直器11、第三光纤准直器12和光纤耦合二阶非线性晶体波导13形成改进Sagnac环结构。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述泵浦激光源1为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器。
进一步的，所述光放大器2的工作波长范围为1530nm～1560nm。
进一步的，所述偏振控制器5为波片型偏振控制器或光纤偏振控制器。
进一步的，所述可调光衰减器3为机械式可调光衰减器或基于硅光器件的可调光衰减器。
进一步的，所述光滤波器4为滤光片、密集波分复用器或硅基微环腔光滤波器。
进一步的，所述密集波分复用器6为薄膜型密集波分复用器、空间光栅型密集波分复用器、阵列波导光栅型密集波分解用器或光纤光栅型密集波分复用器。
进一步的，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的波导材料为周期极化铌酸锂晶体、周期极化磷酸钛氧钾晶体或周期极化偏硼酸钡晶体，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的波导结构为脊波导或质子交换波导。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种产生频率片纠缠光子对的方法，基于上述频率片纠缠双光子源实现，包括以下步骤：通过所述偏振分束器9分光实现改进Sagnac环结构中所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的双向泵浦，所述二阶非线性晶体波导13中的二次谐波产生过程(second harmonic generation)和自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion)过程，在相互垂直的两个偏振方向上产生关联光子对，关联光子对从改进Sagnac环结构中输出后在所述第一半波片8上发生量子干涉，所述关联光子对再经过所述光纤基偏振分束器14后产生频率片纠缠光子对。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于级联二阶非线性过程产生频率片纠缠光子对的方法及频率片纠缠双光子源，基于改进Sagnac环结构，通过正交偏振激光双向泵浦光纤耦合二阶非线性晶体波导中级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生关联光子对，进而通过偏振控制、量子干涉和偏振分束产生频率片纠缠光子对。此外，本发明的频率片纠缠双光子源及产生频率片纠缠光子的方法，具有如下优点：
1、通过二阶非线性光学过程的高效率实现了高亮度的优势；
2、通过偏振控制、量子干涉和偏振分束实现了不需要后选择的高纯度频率纠缠光源；
3、通过使用光纤耦合二阶非线性晶体波导可以实现系统的小型化和集成化；
4、本发明所用器件均可采用现有的成熟光纤通信器件，具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明第一实施例的一种频率片纠缠双光子源的结构示意图；
图2为检验本发明第一实施例的一种频率片纠缠双光子源中产生的关联光子对的空间路径聚束和反聚束特性的装置示意图；
图3为测量本发明第一实施例的一种频率片纠缠双光子源中产生的关联光子对的频率片纠缠特性的装置示意图；
图4为本发明第一实施例的一种频率片纠缠双光子源中产生的关联光子对的空间路径聚束和反聚束特性验证实验结果；
图5为本发明第一实施例的一种频率片纠缠双光子源中产生的关联光子对的频率片纠缠特性测量结果与拟合曲线。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、泵浦激光源，2、光放大器，3、可调光衰减器，4、光滤波器，5、偏振控制器，6、密集波分复用器，7、第一光纤准直器，8、第一半波片，9、空间光偏振分束器，10、第二半波片，11、第二光纤准直器，12、第三光纤准直器，13、光纤耦合二阶非线性晶体波导，14、光纤偏振分束器，15、第三密集波分复用器，16、第四密集波分复用器，17、第一时间数字转换器，18、光纤分束器，19、光纤可调延迟线，20、第一光纤偏振控制器，21、第二光纤偏振控制器，22、第五密集波分复用器，23、第六密集波分复用器，24、第二时间数字转换器，25、计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明第一实施例提供的一种频率片纠缠双光子源，包括依次连接的泵浦激光源1、光放大器2、可调光衰减器3、光滤波器4、偏振控制器5和密集波分复用器6，其中，所述偏振控制器5与所述密集波分复用器6的透射端(T端)连接；
所述频率片纠缠双光子源还包括第一半波片8、第二半波片10、空间光偏振分束器9、第一光纤准直器7、第二光纤准直器11、第三光纤准直器12、光纤耦合二阶非线性晶体波导13和光纤偏振分束器14；
所述密集波分复用器6的公共端(C端)与第一光纤准直器7相连接，光纤耦合二阶非线性晶体波导13的两端分别与第二光纤准直器11和第三光纤准直器12相连接，第一光纤准直器7和第二光纤准直器11之间依次有第一半波片8、空间光偏振分束器9和第二半波片10，第三光纤准直器12位于空间光偏振分束器9和光纤耦合二阶非线性晶体波导13之间，密集波分复用器6的反射端(R端)与光纤偏振分束器14相连接，空间光偏振分束器9、第二半波片10、第二光纤准直器11、第三光纤准直器12和光纤耦合二阶非线性晶体波导13形成改进Sagnac环结构。
上述实施例中，泵浦激光源1用于给二次谐波产生过程和自发参量下转换过程提供稳定的泵浦光，可以使用连续激光器或脉冲激光器，本实施例中，泵浦激光源1采用1550nm波段连续激光器，提供的是中心波长位于1540.56nm的近红外波段激光，波长位于光纤通信波段。
光放大器2用于提高泵浦光功率，本实施例中，光放大器2采用掺铒光纤放大器，泵浦激光源1输出的1540.56nm的泵浦光经过掺铒光纤放大器后，其功率约为16dBm(39.8mW)。由于光纤中拉曼散射过程产生的噪声光子会降低纠缠光子对的纯度，并且拉曼散射过程产生噪声光子的速率与与泵浦光功率成正比，而通过级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生关联光子对的速率与泵浦光功率的二次方成正比，因此提高泵浦光功率可以有效提升频率片纠缠光子对的纯度。
可调光衰减器3用于控制进入二阶非线性晶体波导的泵浦光功率，工作波长覆盖光通信波段，光滤波器4用于抑制泵浦光中的噪声，本实施例中采用光纤耦合机械式可调衰减器作为可调光衰减器3，采用密集波分复用器作为光滤波器4，光纤耦合机械式可调衰减器的输出光入射作为光滤波器4的密集波分复用器的公共端(C端)，此时，密集波分复用器的透射波长为1540.56nm，3dB带宽为0.5nm，可以滤除泵浦光中的噪声。经过滤波的泵浦光从密集波分复用器的透射端(T端)出射，继而入射偏振控制器5。
偏振控制器5用于调节泵浦光的偏振状态，使线偏振的泵浦光变成椭圆偏振光，本实施例中偏振控制器5采用波片式偏振控制器，波片式偏振控制器中输出的泵浦光入射密集波分复用器6的透射端(T端)。并且，本实施例中，密集波分复用器6的透射波长为1540.56nm，3dB带宽为0.5nm，此时，从公共端口入射的光中波长位于1540.56nm、带宽0.5nm的光从透射端口出射，其余光从反射端出射；从透射端口入射的光中波长位于1540.56nm、带宽0.5nm的光从公共端口出射，密集波分复用器6可以进一步滤除泵浦光中的噪声。入射密集波分复用器6透射端(T端)的光从其公共端(C端)出射，经第一光纤准直器7、第一半波片8后进入空间光偏振分束器9的入射端口。从空间光偏振分束器9透射端出射的光经第二半波片10后耦合进入第二光纤准直器11；从空间光偏振分束器9反射端出射的光耦合进入第三光纤准直器12。
其中，密集波分复用器6用于滤除进入改进Sagnac环结构的泵浦光中的噪声，以及滤除从改进Sagnac环结构中输出的关联光子对中的残留泵浦光。
空间光偏振分束器9用于将泵浦光分为偏振方向正交的两束线偏振泵浦光，同时将沿改进Sagnac环结构顺时针和逆时针传播的光子从泵浦光输入的端口输出。
第一半波片8和第二半波片10用于旋转光的偏振状态。
第一光纤准直器7、第二光纤准直器11和第三光纤准直器12用于将空间光耦合进入光纤或将光纤中的光准直后耦合进入自由空间。
二阶非线性晶体波导13用于在经光纤尾纤耦合输入的泵浦光作用下，在满足能量守恒和动量守恒的条件下，通过级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生关联光子对，本实施例中二阶非线性晶体波导13采用光纤耦合周期极化铌酸锂(periodicallypoled lithium niobate，PPLN)波导。
光纤偏振分束器14可以将入射光子中偏振正交的两部分光子分开并从两个端口输出。
此外，将空间光偏振分束器9反射端输出的光的偏振方向定义为垂直方向，透射端输出的光的偏振方向方向定义为水平方向。通过旋转波片式光纤偏振控制器5中的波片可以将入射空间光偏振分束器9的椭圆偏振泵浦光的长轴方向调节至垂直方向。第一半波片8的光轴方向与垂直方向成22.5°夹角。根据半波片的原理，椭圆偏振泵浦光中垂直偏振的分量经过第一半波片后偏振方向为45°方向；椭圆偏振泵浦光中水平偏振的分量经过第一半波片后偏振方向为135°方向；根据空间光偏振分束器的原理，入射空间光偏振分束器的泵浦光被分为功率相等的垂直偏振和水平偏振的两束线偏振光从其反射和透射端出射，二者的电场强度之间存在相位差
Figure BDA0003571704730000061
其中PER为泵浦光的偏振消光比，±分别对应于右旋圆偏振和左旋圆偏振。
空间光偏振分束器9输出的水平偏振光，经过第二半波片10。第二半波片10的光轴方向与垂直方向成45°夹角。根据半波片的原理，经过第二半波片10后，水平偏振光变为垂直偏振光后沿着顺时针方向在改进Sagnac环结构中传播并耦合进入第二光纤准直器11，随后输入光纤耦合PPLN晶体波导13；而空间光偏振分束器9反射端输出的垂直偏振光沿逆时针方向在改进Sagnac环结构中传播并耦合进入第三光纤准直器12，随后输入光纤耦合PPLN晶体波导13。光纤耦合PPLN晶体波导中满足二次谐波产生过程和自发参量下转换过程相位匹配条件的泵浦光偏振方向为垂直方向。
在本实施例中，进入PPLN晶体波导的是波长为1540.56nm的泵浦光，首先发生二次谐波产生过程，即在改进Sagnac环结构中沿顺时针方向传播的两个泵浦光光子的湮灭伴随着一个沿顺时针方向传播的波长为770.28nm的光子的产生；在改进Sagnac环结构中沿逆时针方向传播的两个泵浦光光子的湮灭伴随着一个沿逆时针方向传播的波长为770.28nm的光子的产生。然后，发生自发参量下转换，即一个沿顺时针方向传播的波长为770.28nm的光子的湮灭伴随着一对沿顺时针方向传播的具有量子关联的信号和闲频光子的产生，也就是关联光子对的产生；一个沿逆时针方向传播的波长为770.28nm的光子的湮灭伴随着一对沿逆时针方向传播的关联光子对的产生。通过级联的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程产生的关联光子对均为垂直偏振。
沿逆时针方向传输的关联光子对在产生后从第二光纤准直器11中输出并入射第二半波片10，经第二半波片10变换为水平偏振关联光子对后入射空间光偏振分束器9的透射端；沿顺时针方向传输的关联光子对在产生后从第三光纤准直器12中输出并入射空间光偏振分束器9的反射端。根据空间光偏振分束器的原理，沿顺时针传输的垂直偏振关联光子对和沿逆时针传输的水平偏振关联光子对在空间光偏振分束器9上均从泵浦光输入的端口输出。根据自发参量下转换的原理以及空间光偏振分束器的原理，从该端口输出的关联光子对所处的量子态为：
Figure BDA0003571704730000071
该式中
Figure BDA0003571704730000072
和
Figure BDA0003571704730000073
分别为关联光子对中水平偏振和垂直偏振的信号光子的产生算符；
Figure BDA0003571704730000081
和
Figure BDA0003571704730000082
分别为关联光子对中水平偏振和垂直偏振的闲频光子的产生算符；|0>为真空态。
关联光子对从空间光偏振分束器9中输出后，经过第一半波片8，在第一半波片8上，水平和垂直偏振的关联光子对在经过偏振旋转的过程中将发生量子干涉。根据半波片的原理，式(P1)中的算符在半波片上将经历以下变换：
Figure BDA0003571704730000083
Figure BDA0003571704730000084
由式(P1)和式(P2)可以得到从第一半波片中输出的关联光子对所处的量子态为：
Figure BDA0003571704730000085
当
Figure BDA0003571704730000086
时，
Figure BDA0003571704730000087
为偏振纠缠态，且信号和闲频光子处于同一个偏振模式；
当
Figure BDA0003571704730000088
时，
Figure BDA0003571704730000089
为偏振纠缠态，且信号和闲频光子处于正交的偏振模式。
经过第一半波片8后的关联光子对耦合进入第一光纤准直器7，随后入射密集波分复用器6的公共端(C端)，从反射端(R端)出射，以滤除关联光子对中混杂的波长为1540.56nm泵浦光。从密集波分复用器6反射端(R端)出射的关联光子对入射光纤偏振分束器14。关联光子对中的水平偏振光子和垂直偏振光子分别从光纤偏振分束器14的两个输出端口输出。根据光纤偏振分束器的原理和式(P3)，从光纤偏振分束器14输出的光子所处的量子态为：
Figure BDA00035717047300000810
其中
Figure BDA0003571704730000091
Figure BDA0003571704730000092
在式(5)中，U和D分别指代光纤偏振分束器的两个输出端口，因此
Figure BDA0003571704730000093
和
Figure BDA0003571704730000094
分别表示从U端口和D端口输出的信号光子的产生算符；
Figure BDA0003571704730000095
和
Figure BDA0003571704730000096
分别表示从U端口和D端口输出的闲频光子的产生算符。
根据二次谐波产生过程和自发参量下转换过程中的能量守恒原理，信号光子和闲频光子的频率之和必然等于二倍的泵浦光子的频率。同时，根据密集波分复用器6的原理，信号光子和闲频光子的频率必然在密集波分复用器的透射带宽之外。因此，信号和闲频光子具有不同的频率。因而，式(P5)中的量子态|ψB>表示从光纤偏振分束器14的同一个端口输出频率不同的信号和闲频光子，即信号和闲频光子具有空间路径聚束特性；式(P6)中的量子态|ψAB>表示从光纤偏振分束器14的两个端口输出的光子分别为频率不同的信号和闲频光子，即光纤偏振分束器14输出的关联光子对具有空间路径反聚束特性。同时，式(P8)表示的量子态可以看做分别具有下述两个特性(i)和(ii)的双光子态的相干叠加：
(i)从U端口出射的为信号光子，从D端口出射的为闲频光子；
(ii)从U端口出射的为闲频光子，从D端口出射的为信号光子；
即从光纤偏振分束器的两个端口输出的光子对处于频率片纠缠态。根据式(6)，设定
Figure BDA0003571704730000097
可以使得|ψ>FPBS＝|ψAB>，即光纤偏振分束器的两个端口输出的光子对完全处于频率片纠缠态。根据波片式光纤偏振控制器的原理和
Figure BDA0003571704730000098
的表达式可知，可以通过调节波片式光纤偏振控制器(5)中的波片设置其输出的椭圆偏振泵浦光的偏振消光比来设定
Figure BDA0003571704730000099
因此图1中所述实验系统可以输出高纯度的频率片纠缠光子对。
图2为检验图1所示装置中产生的关联光子对的空间路径聚束和反聚束特性的装置示意图。由图1中光纤偏振分束器14的U端口和D端口输出的光子分别进入第三密集波分复用器15的公共端(C端)和第四密集波分复用器16的公共端(C端)。第三密集波分复用器具有两个透射端口T1和T2，透射中心波长分别为1549.32nm和1531.90nm，带宽均为0.5nm。第四密集波分复用器16具有两个透射端口T3和T4，透射中心波长分别为1549.32nm和1531.90nm，带宽均为0.5nm。因此，从第三密集波分复用器15和第四密集波分复用器16输出的信号光子的中心波长为1549.32nm，闲频光子的中心波长为1531.90nm。从T1、T2、T3和T4端口输出的光子分别进入超导纳米线单光子探测器D1、D2、D3和D4，单光子探测器产生的电信号输入第一时间数字转换器17，第一时间数字转换器17根据输入的电信号得到T1、T2、T3和T4端口两两之间的光子符合计数。利用T1和T4、T2和T3端口之间的光子符合计数验证图1所示装置中产生的关联光子对的空间路径反聚束特性；利用T1和T2、T3和T4端口之间的光子符合计数检验图1所示装置中产生的关联光子对的空间路径聚束特性。
图3为测量图1所示装置中产生的关联光子对的频率片纠缠特性的装置示意图。由图1中光纤偏振分束器14的U端口输出的光子经过第一光纤偏振控制器20后输入光纤分束器18的一个输入端口；D端口输出的光子经过一个光纤可调延迟线19和第二光纤偏振控制器21后输入光纤分束器18的另一个输入端口。第一光纤偏振控制器20和第二光纤偏振控制器21用于将输入光纤分束器18的两个输入端口的光子的偏振状态调节至相同。从光纤分束器18的两个输出端输出的光子分别入射第五密集波分复用器22和第六密集波分复用器23的公共端口(C端口)。第五密集波分复用器22和第六密集波分复用器23的透射中心波长分别为1549.32nm和1531.90nm，带宽均为0.5nm。因此，从第五密集波分复用器22输出的信号光子和从第六密集波分复用器23输出的闲频光子的中心波长分别为1549.32nm和1531.90nm。从第五密集波分复用器22和第六密集波分复用器23的透射端口(T端口)输出的光子分别入射超导纳米线单光子探测器D5和D6，单光子探测产生的电信号进入第二时间数字转换器24。第二时间数字转换器24根据输入的电信号得到信号和闲频光子的符合计数数据，该符合计数数据输入计算机25。延迟量数据信号由计算机25产生、一方面存储于计算机中，另一方面输出至光纤可调延迟线19。光纤可调延迟线19根据延迟量数据，对输入其中的光子完成延迟操作。在改变光纤可调延迟线19的延迟量的情况下，计算机25可以记录每个延迟量对应的信号和闲频光子符合计数。处于频率片纠缠态的关联光子对可以在光纤分束器18上发生量子干涉，因而当光纤可调延迟线19的延迟量发生变化时，信号和闲频光子的符合计数会随着延迟量的变化出现拍(Beating)状振荡现象，即空间量子拍(SpatialQuantum Beating)。观察到空间量子拍可以证明信号和闲频光子之间存在频率片纠缠。计算机利用空间量子拍解析表达式，对得到的延迟量和符合计数数据进行拟合，得到空间量子拍的可见度，该数值可以表征频率片纠缠的纯度。
图4为利用图2所示装置对图1所示装置中产生的关联光子对的空间路径聚束和反聚束特性进行验证的实验结果。纵坐标为10s中内测量到的符合计数。测量结果显示图2中T1和T4、T2和T3端口之间的光子符合计数远远大于T1和T2、T3和T4端口之间的光子符合计数，因此图1所示装置中产生的光子对的空间路径反聚束特性远远强于聚束特性，即光子对所处的量子态中具有空间路径反聚束特性的量子态的比例系数要远远高于具有空间路径聚束特性的量子态的比例系数。
为了证实图4中观察到的具有空间路径反聚束特性的量子态为频率片纠缠态，本发明利用图3所示装置对图1所示装置中产生的关联光子对的频率片纠缠特性进行测量。测量结果如图5所示，图中纵坐标为信号和闲频光子的符合计数，横坐标为光纤可调延迟线19的延迟量。图5中带有误差棒的圆圈数据点表示测量得到的不同延迟量下的符合计数。从图5可以看出，该数据呈现出明显的空间量子拍形状，说明图1所示装置中产生的关联光子对具有频率片纠缠特性。实线为对测量得到的不同延迟量下的符合计数进行拟合得到的曲线，曲线的可见度为89.43％±3.29％，说明图1所示装置中产生的频率片纠缠光子对具有高纯度的特征。同时，在泵浦功率为5dBm的条件下，测得频率片纠缠光子对的产生速率大于135kHz，表明图1所示装置中产生的频率片纠缠光子对具有高亮度的特征。
可选地，所述泵浦激光源1为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器。
可选地，所述光放大器2的工作波长范围为1530nm～1560nm。
可选地，所述偏振控制器5为波片型偏振控制器或光纤偏振控制器。
可选地，所述可调光衰减器3为机械式可调光衰减器或基于硅光器件的可调光衰减器。
可选地，所述光滤波器4为滤光片、密集波分复用器或硅基微环腔光滤波器。
可选地，所述密集波分复用器6为薄膜型密集波分复用器、空间光栅型密集波分复用器、阵列波导光栅型密集波分解用器或光纤光栅型密集波分复用器。
可选地，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的波导材料为周期极化铌酸锂晶体、周期极化磷酸钛氧钾晶体或周期极化偏硼酸钡晶体，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的波导结构为脊波导或质子交换波导。
本发明第二实施例提供了一种产生频率片纠缠光子对的方法，基于本发明第一实施例的频率片纠缠双光子源实现，包括以下步骤：通过所述偏振分束器9分光实现改进Sagnac环(Sagnac loop)结构中所述光纤耦合二阶非线性晶体波导13的双向泵浦，所述二阶非线性晶体波导13中的二次谐波产生过程(second harmonic generation)和自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion)过程，在相互垂直的两个偏振方向上产生关联光子对，关联光子对从改进Sagnac环结构中输出后在所述第一半波片8上发生量子干涉，所述关联光子对再经过所述光纤基偏振分束器14后产生频率片纠缠光子对。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，包括依次连接的泵浦激光源(1)、光放大器(2)、可调光衰减器(3)、光滤波器(4)、偏振控制器(5)和密集波分复用器(6)，其中，所述偏振控制器(5)与所述密集波分复用器(6)的透射端连接；
所述频率片纠缠双光子源还包括第一半波片(8)、第二半波片(10)、空间光偏振分束器(9)、第一光纤准直器(7)、第二光纤准直器(11)、第三光纤准直器(12)、光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)和光纤偏振分束器(14)；
所述密集波分复用器(6)的公共端与第一光纤准直器(7)相连接，光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)的两端分别与第二光纤准直器(11)和第三光纤准直器(12)相连接，第一光纤准直器(7)和第二光纤准直器(11)之间依次有第一半波片(8)、空间光偏振分束器(9)和第二半波片(10)，第三光纤准直器(12)位于空间光偏振分束器(9)和光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)之间，密集波分复用器(6)的反射端与光纤偏振分束器(14)相连接，空间光偏振分束器(9)、第二半波片(10)、第二光纤准直器(11)、第三光纤准直器(12)和光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)形成改进Sagnac环结构。
2.根据权利要求1所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述泵浦激光源(1)为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器。
3.根据权利要求1所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述光放大器(2)的工作波长范围为1530nm～1560nm。
4.根据权利要求1所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述偏振控制器(5)为波片型偏振控制器或光纤偏振控制器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述可调光衰减器(3)为机械式可调光衰减器或基于硅光器件的可调光衰减器。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述光滤波器(4)为滤光片、密集波分复用器或硅基微环腔光滤波器。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述密集波分复用器(6)为薄膜型密集波分复用器、空间光栅型密集波分复用器、阵列波导光栅型密集波分解用器或光纤光栅型密集波分复用器。
8.根据权利要求1至4任一项所述的一种频率片纠缠双光子源，其特征在于，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)的波导材料为周期极化铌酸锂晶体、周期极化磷酸钛氧钾晶体或周期极化偏硼酸钡晶体，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)的波导结构为脊波导或质子交换波导。
9.一种产生频率片纠缠光子对的方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的一种频率片纠缠双光子源实现，包括以下步骤：通过所述偏振分束器(9)分光实现改进Sagnac环结构中所述光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)的双向泵浦，所述光纤耦合二阶非线性晶体波导(13)中的二次谐波产生过程和自发参量下转换过程，在相互垂直的两个偏振方向上产生关联光子对，关联光子对从改进Sagnac环结构中输出后在所述第一半波片(8)上发生量子干涉，所述关联光子对再经过所述光纤偏振分束器(14)后产生频率片纠缠光子对。
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