CN115390335B - 一种量子纠缠源的补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于量子物理技术领域，尤其涉及一种量子纠缠源的补偿装置。补偿装置包括双折射晶体；双折射晶体的一端用于连接波导模块的输出端，以对波导模块输出的关联的光子对进行色散补偿，并且对补偿后的光子对进行干涉，形成纠缠态经过双折射晶体的另一端输出；双折射晶体的长度根据第二PPLN波导的长度，结合经过第二PPLN波导后参量光的双光子态总相位与经过补偿晶体后引入参量光的双光子态总相位相等的原理计算得到。本发明大大的增加了单路双波导纠缠源的对比度和亮度，同时本发明采用一个双折射晶体实现了补偿，减小了补偿装置的体积，使得补偿装置可以集成化设置，提高了纠缠源的稳定性。
Description
技术领域
本发明适用于量子物理技术领域，尤其涉及一种量子纠缠源的补偿装置。
背景技术
量子密钥分发通过量子态的传输，是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。在量子密钥分发信道传输衰减是单链路的平方，在最终码率的提高方面存在制约，而提高纠缠源亮度是提高最终码率最直接的手段之一。
随着微加工技术的引入，铌酸锂已经成为量子集成光学的重要平台，能够实现多种自由度编码的单片集成的纠缠光源，进而周期性极化铌酸锂（PPLN）波导是解决量子信息领域纠缠源难题的最佳选择。
目前常用的PPLN波导纠缠源是双路的，例如：授权公告号为CN 209182627 U的中国实用新型专利文件，该专利文件公开了一种基于双PPLN波导的纠缠源，包括光源、偏振分束单元、偏振控制单元、两个PPLN波导及纠缠光子产生单元。偏振分束单元将泵浦光分成偏振方向彼此垂直的两个泵浦光分量。偏振控制单元使泵浦光分量之一在进入PPLN波导之前偏振方向发生90度旋转。两个PPLN波导用于在泵浦光分量作用下基于参量下转换效应产生关联的第一和第二光子对。纠缠光子产生单元同时接收两个光子对且由此输出两路偏振纠缠态的光子对，并且该纠缠源实现了全光纤结构，减小了纠缠源的集成体积，被广泛使用。
然而，上述PPLN波导纠缠源基于双路设置的原因，对波导一致性要求较高，对于极化周期较小的PPLN波导不适用，导致纠缠效果差的问题。为此有人提出采用如申请号为202210991148.0的单路双波导纠缠源，但是对于这种单路双波导纠缠源在前一个波导上完成下转换的参量光经过后一个波导时引入的色散，大大降低纠缠源对比度和亮度，采用传统的补偿方式（改变两波导长度或采用调节泵浦光的相位的方法）效果并不明显，或者采用两个非线性晶体和两个自由空间补偿晶体实现了纠缠源补偿，但是使用尺寸较大的自由空间补偿晶体，整个纠缠源系统较大，稳定性较差。
为此，需要提出一种适用于单路双波导纠缠源的补偿方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种量子纠缠源的补偿装置，以解决现有的补偿方案对单路双波导纠缠源适用性差的问题。
本申请提供一种量子纠缠源的补偿装置，包括补偿晶体，所述补偿晶体为双折射晶体；双折射晶体的一端用于连接波导模块的输出端，以对波导模块输出的关联的光子对进行色散补偿，并且对补偿后的光子对进行干涉，形成纠缠态经过双折射晶体的另一端输出；
所述波导模块包括相互垂直且耦合连接的第一PPLN波导和第二PPLN波导，第一PPLN波导用于接收泵浦光源，第二PPLN波导输出关联的光子对；所述相互垂直包括第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴平行，第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴为光的传输方向，第一PPLN波导的X轴和第二PPLN波导的Z轴平行，第一PPLN波导的Z轴和第二PPLN波导的X轴平行；
所述双折射晶体的长度根据第二PPLN波导的长度，结合经过第二PPLN波导后参量光的双光子态总相位与经过补偿晶体后引入参量光的双光子态总相位相等的原理计算得到。
本发明的量子纠缠源的补偿装置与现有技术相比存在的有益效果是：单路双波导纠缠源中，色散主要是在第一PPLN波导完成下转换的参量光经过第二PPLN波导时引入的，因此基于第二PPLN波导的长度，结合经过第二PPLN波导后参量光的双光子态总相位与经过补偿晶体后引入参量光的双光子态总相位相等的原理可以准确的确定补偿晶体的长度，进而更好的对色散进行补偿，大大的增加了纠缠源的对比度和亮度，同时本发明采用一个双折射晶体实现了补偿，减小了补偿装置的体积，使得补偿装置可以集成化设置，提高了纠缠源的稳定性。
进一步地，双折射晶体的长度的计算过程为：
其中，
为双折射晶体的长度；
为signal光子的波长；
为idle光子的波长；
为signal光子在双折射晶体o方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体o方向的折射率；
为signal光子在双折射晶体e方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体e方向的折射率；
为泵浦光相位；
为第二PPLN波导的长度；
为signal光子在第二PPLN波导传输方向的折射率；为idle光子在第二PPLN波导传输方向的折射率。
进一步地，所述补偿装置还包括设置在波导模块和补偿晶体之间的第一准直装置，用于对波导模块发出的光进行准直。
进一步地，第一准直装置为GRIN lens镜。
进一步地，第一准直装置在光的传输方向的两端设有增透膜。
进一步地，所述补偿装置还包括第二准直装置，第二准直装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，用于对补偿晶体发出的发散光进行准直。
进一步地，所述补偿装置还包括滤波装置，滤波装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，用于对补偿晶体发出的发散光进行滤波。
进一步地，所述补偿装置还包括滤波装置和第二准直装置，滤波装置和第二准直装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，且滤波装置处于第二准直装置的前端，用于对补偿晶体发出的发散光进行滤波和准直。
进一步地，所述双折射晶体为YVO4晶体。
进一步地，双折射晶体在光的传输方向的两端设有增透膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明量子纠缠源的结构框图；
图2是本发明补偿装置；
图3是本发明量子纠缠源补偿前的色散图；
图4是本发明量子纠缠源补偿后的色散图；
图中，1为泵浦光源、2为水平放置PPLN波导、3为竖直放置PPLN波导、4为补偿装置、5为耦合装置、6为壳体、7为基板、8为TEC驱动模块、9为波导模块、10为基底、41为第一准直装置、42为补偿晶体、43为滤波装置、44为第二准直装置。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
应当理解，当在本发明说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当......时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本发明说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
应理解，以下实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明提出一种量子纠缠源的补偿装置是基于如图1所示的量子纠缠源，量子纠缠源包括波导模块、温度调节装置、补偿装置4以及耦合装置5，波导模块的一端连接泵浦光源1，另一端连接补偿装置4的一端；补偿装置4的另一端连接耦合装置5。
其中波导模块包括相互垂直且耦合连接的第一PPLN波导和第二PPLN波导，这里的相互垂直是指第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴平行，第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴为光的传输方向，第一PPLN波导的X轴和第二PPLN波导的Z轴平行，第一PPLN波导的Z轴和第二PPLN波导的X轴平行。例如：第一PPLN波导水平放置（即水平放置PPLN波导2，其Z轴为竖直向上），第二PPLN波导竖直放置（即竖直放置PPLN波导3，其X轴为竖直向上），当然，这里第一PPLN波导竖直放置，第二PPLN波导水平放置也可以，或者并不是出于水平竖直方向，其他方向也可以，只要两个PPLN波导相互垂直即可，本发明对此不做限制。
如图1所示，波导模块包括水平放置PPLN波导2和竖直放置PPLN波导3，水平放置PPLN波导2通过光纤接收泵浦光源1发出的偏振与其Z轴夹角为45°的偏振泵浦光，竖直放置PPLN波导3输出关联的光子对；水平放置PPLN波导2和竖直放置PPLN波导3通过以最佳耦合位置进行耦合连接。泵浦光源1产生短波长的泵浦光，并且泵浦光的偏振方向与水平放置PPLN波导2的Z轴夹角为45°（关于泵浦光的角度，以45°为最优，也可以采用其他角度），泵浦光中的竖直偏振分量经过水平放置PPLN波导2，通过自发参量转换type-0型模式（SPDC）产生较长波长的光子对
，泵浦光中的水平偏振分量经过竖直放置PPLN波导3，通过自发参量转换type-0型模式产生的光子对
，光子对
经过竖直放置PPLN波导3产生色散，因此竖直放置PPLN波导3输出关联的
和
光子对。
补偿装置4包括补偿晶体，补偿晶体为双折射晶体，补偿装置4的一端与竖直放置PPLN波导3的输出端固定连接，用于接收竖直放置PPLN波导3输出的光子对，对光子对进行色散补偿（色散为光经过水平放置PPLN波导2和竖直放置PPLN波导3，水平放置PPLN波导2上完成下转换的参量光经过竖直放置PPLN波导3时引入的，色散为空间、相位、走离等多因素的综合），并且对补偿后的相位匹配的光子对进行干涉，形成纠缠态经过补偿装置4的另一端输出；竖直放置PPLN波导3和补偿装置4通过紫外胶进行固定连接。
耦合装置5为光纤耦合装置，光纤耦合装置连接补偿装置4的另一端，实现光纤输出。
温度调节装置用于调节水平放置PPLN波导2、竖直放置PPLN波导3、补偿装置4以及耦合装置5的温度。温度调节装置包括基板7以及设置在基板7上的TEC驱动模块8。同时，为了避免干扰，基板7、TEC驱动模块8、水平放置PPLN波导2、竖直放置PPLN波导3、补偿装置4以及耦合装置5设置在一个壳体6内部，在壳体6上开设两个穿孔，用于穿设光纤。
本发明主要针对补偿装置4进行介绍，关于量子纠缠源中的其他模块以及具体实现过程在申请号为202210991148.0，名称为“基于双周期极化薄膜铌酸锂波导的量子纠缠源”的中国发明专利申请中已经介绍，这里不做过多赘述。
具体地，补偿装置4如图2所示，沿着光的传输方向依次为第一准直装置41、补偿晶体42、滤波装置43和第二准直装置44。这里第一准直装置41设置在波导模块9和补偿晶体42之间，用于对波导模块9发出的光进行准直，第一准直装置41采用GRIN lens镜，且GRINlens镜在光的传输方向的两端设有增透膜；补偿晶体42为双折射晶体，具体采用YVO4晶体，YVO4晶体在光的传输方向的两端设有增透膜，实现色散补偿和纠缠源的输出；滤波装置43为滤波片，用于对补偿晶体42发出的发散光进行滤波；第二准直装置44用于对补偿晶体42发出的发散光进行准直，第二准直装置44采用GRIN lens镜，且GRIN lens镜在光的传输方向的两端设有增透膜。
为了避免光损失，第一准直装置41、补偿晶体42、滤波装置43和第二准直装置44之间均通过紫外胶耦合粘贴，附图2分开展示是为了更清楚的显示各个部分。
补偿晶体42的长度是补偿装置4的设计难点，为了准确的进行色散补偿，本发明补偿晶体42的确定过程如下：
根据相位匹配条件，在参量下转换过程中，双光子态的相位近似，与波长无关。而周期极化PPLN波导的高转化率，使其波导长度较周期极化晶体短很多，两个波导上产生的光子的总相位积累值远小于pump的相干时间，则相位积累值这个无需补偿，所以在此单路双波导方案中补偿只需要考虑在水平放置PPLN波导2上完成下转换的参量光，经过竖直放置PPLN波导3时引入的色散；使产生的纠缠光子对signal、idle双光子的相位-波长关系尽可能小（消色散）。
在参量下转换过程中，根据相位匹配条件，如果产生参量光，所有参量光波长的相位都是一致的。因此，可以用补偿晶体42来补偿水平放置的PPLN波导产生的VV光子，以HH偏振过竖直放置的PPLN波导产生的色散。色散补偿的目标是，使不同波长的参量光子对组份经过整个光路后，拥有一样的相位。
在竖直放置PPLN波导3后，参量光的双光子态总相位如下：
其中，
为在竖直放置PPLN波导3后，参量光的双光子态总相位；
为泵浦光相位，由于泵浦光接近单色光，可以认为无色散，是一个常数，
为水平放置PPLN波导2上完成下转换的参量光中光子
的相位；
为水放置PPLN波导上完成下转换的参量光中光子
的相位；
为竖直放置PPLN波导3上完成下转换的参量光中光子
的相位；
为竖直放置PPLN波导3上完成下转换的参量光中光子
的相位；
为从竖直放置PPLN波导3入射到竖直放置PPLN波导3出射的光程，也即竖直放置的PPLN波导的长度；
为signal光子的波长；
为idle光子的波长；
为signal光子在竖直放置PPLN波导3传输方向的折射率；
为idle光子在竖直放置PPLN波导3传输方向的折射率。
而双折射晶体引入的相位-波长关系为：
其中，
为在双折射晶体后，参量光的双光子态总相位；
为双折射晶体的长度；
为signal光子的波长；
为idle光子的波长；
为signal光子在双折射晶体o方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体o方向的折射率；
为signal光子在双折射晶体e方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体e方向的折射率。
让上述两个公式相等便可以通过竖直放置的PPLN波导的长度求出双折射晶体的长度，采用python建模，计算过程为：
为了提高波导模块9和第一准直装置41的耦合率，在波导模块9下方设置一个基底10将波导模块9抬高，关于补偿装置4和波导模块9的相对位置，以及补偿装置4中各装置的位置，尺寸大小（补偿晶体42的长度除外，这里包含补偿晶体42的高度和宽度）的确定过程如下：
通过CAD软件对补偿装置4中各装置（准直装置、补偿晶体42、滤波装置43）的尺寸进行调整，进而在Lumerical FDTD 数值模拟软件中调整补偿装置4和波导模块9的相对位置，结合光束传播参数和输出光斑模式对应的电场分布的设计，实现了波导模块9与补偿装置4在光路上的同轴耦合且耦合后的波导模块9与补偿装置4处于同一水平面；
在Lumerical FDTD 数值模拟的同时，还需要根据波导模块9的光学参数确定补偿装置4的光学参数，例如：准直装置的NA光纤的NA模场和透过率等。
补偿装置4的尺寸、以及补偿装置4和波导模块9的相对位置确定后，通过导热胶将这些器件固定在基板7上。
当然，在不考虑集成体积的情况下，也可以不对补偿装置4的尺寸进行调整模拟，或者不采用集成化的结构，器件进行单独设置也是可以的，本发明对此不做限制。
补偿装置4中主要起补偿作用的为补偿晶体42，准直装置、滤波装置43为准直和滤波作用，在保证光源准直性和单一性良好的情况下，准直装置、滤波装置43可以不设置，或者只设置一个准直装置，或者只设置滤波装置43，或者滤波装置43设置在第二准直装置44后端均可实现单路纠缠源的补偿，本发明对此不作限制。
上述实施例中，为了提高纠缠源的亮度，在光的传输方向上准直装置和补偿晶体42的两侧均设置有增透膜，当然，在保证亮度的情况下，增透膜也可以不设置，本发明对此不做限制。
关于准直装置、滤波装置43以及双折射晶体，采用现有技术中相同功能的型号和材质的器件即可，本发明此并不做限制。
以下以一个具体实施例验证色散补偿效果：
泵浦光源1选用405nm单模光源，泵浦光源1与波导模块9的连接选用405HP光纤，泵浦光源1经过波导模块9后输出810nm的光，PPLN波导选用300nm-10μm厚Z切铌酸锂；GRINlens采用直径1mm，长3.5mm，两端镀增透膜的G2P10型（NA = 0.5）GRIN透镜；YVO4晶体的长、宽和高为28.915mm*2mm*2mm，两端镀810nm增透膜；滤波片选用810nm滤波片，耦合装置5输出连接选用PM780光纤。
YVO4晶体补偿前后色散图如图3、4所示：未补偿前780nm附近的色散高达5000°（色散的补偿也是换算成相位来计算的），10mm的PPLN用28.915mm的YVO4补偿后，770nm-850nm的色散都降到0.1°以下，补偿装置4色散消除到了原来的1/100000。
本发明的补偿装置4可以很好消除水平放置PPLN波导2和竖直放置PPLN波导3中水平PPLN波导上完成下转换的参量光经过竖直PPLN波导时引入的色散，大大提高了水平放置和竖直放置的周期极化波导纠缠源系统对比度和亮度。相较于现有的补偿方式，本方案针对单路双波导的纠缠源具有消除色散效果好、成本低、稳定（不需要其它泵浦光控制）及集成化（集成在一个装置中）的优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种量子纠缠源的补偿装置，包括补偿晶体，其特征在于，所述补偿晶体为双折射晶体；双折射晶体的一端用于连接波导模块的输出端，以对波导模块输出的关联的光子对进行色散补偿，并且对补偿后的光子对进行干涉，形成纠缠态经过双折射晶体的另一端输出；
所述波导模块包括相互垂直且耦合连接的第一PPLN波导和第二PPLN波导，第一PPLN波导用于接收泵浦光源，第二PPLN波导输出关联的光子对；所述相互垂直包括第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴平行，第一PPLN波导的Y轴和第二PPLN波导的Y轴为光的传输方向，第一PPLN波导的X轴和第二PPLN波导的Z轴平行，第一PPLN波导的Z轴和第二PPLN波导的X轴平行；
所述双折射晶体的长度根据第二PPLN波导的长度，结合经过第二PPLN波导后参量光的双光子态总相位与经过补偿晶体后引入参量光的双光子态总相位相等的原理计算得到，双折射晶体的长度的计算公式为：
其中，
为双折射晶体的长度；
为signal光子的波长；
为idle光子的波长；
为signal光子在双折射晶体o方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体o方向的折射率；
为signal光子在双折射晶体e方向的折射率；
为idle光子在双折射晶体e方向的折射率；
为泵浦光相位；
为第二PPLN波导的长度；
为signal光子在第二PPLN波导传输方向的折射率；
为idle光子在第二PPLN波导传输方向的折射率。
2.根据权利要求1所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括设置在波导模块和补偿晶体之间的第一准直装置，用于对波导模块发出的光进行准直。
3.根据权利要求2所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，第一准直装置为GRINlens镜。
4.根据权利要求2或3所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，第一准直装置在光的传输方向的两端设有增透膜。
5.根据权利要求1所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括第二准直装置，第二准直装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，用于对补偿晶体发出的发散光进行准直。
6.根据权利要求1所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括滤波装置，滤波装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，用于对补偿晶体发出的发散光进行滤波。
7.根据权利要求1所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括滤波装置和第二准直装置，滤波装置和第二准直装置设置在沿光的传输方向的补偿晶体的后端，且滤波装置处于第二准直装置的前端，用于对补偿晶体发出的发散光进行滤波和准直。
8.根据权利要求1所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，所述双折射晶体为YVO4晶体。
9.根据权利要求1或8所述的量子纠缠源的补偿装置，其特征在于，双折射晶体在光的传输方向的两端设有增透膜。
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