CN115981068A - 一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，包括依序排列的泵浦光源模块、纠缠光子对产生模块和光子对探测模块；本发明通过计算铌酸锂薄膜直波导的波导色散，选择合适的波导结构参数，使得在单极化周期下的单根波导能够同时补偿两种偏振方向上的下转换相位失配，产生偏振纠缠光子对，提供了一种简单紧凑、易于制备的偏振纠缠光源，本发明利用了铌酸锂晶体的几个突出特点——优良的二阶非线性效应、高效的准相位匹配技术、具有光场强约束效果和高非线性转化效率的薄膜波导结构、成熟的制备和加工工艺以及灵活的波导光路设计，提供了一种稳定、可集成的芯片化偏振纠缠光源。
Description
技术领域
本发明属于非线性光学、量子光学和量子信息领域，涉及一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置。
背景技术
纠缠光子对是许多量子光学实验的核心，应用于量子通信、量子计算、量子成像和量子传感等重要领域，同时也用于测试量子力学中的基本物理定律，如贝尔不等式、量子隐形传态等。目前利用二阶非线性晶体的自发参量下转换过程(Spontaneous ParametricDown Conversion,SPDC)是制备纠缠光源最为成熟、广泛的一种方式，高频的泵浦光子以某一概率自发地在非线性晶体中湮灭，并在满足动量守恒与能量守恒的条件下分裂出两个低频的下转换光子，分别称为信号光子和闲频光子。生成的两个光子在经过一些特殊的处理或选择后才能形成纠缠态，产生自旋、偏振等自由度的纠缠。
能够实现自发参量下转换的非线性晶体需要是非对称晶体，即存在不为零的χ(2)，常用的晶体包括偏硼酸钡(β-BaB2O4，BBO)、磷酸二氢钾(KD2PO4，KDP)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4，KTP)和铌酸锂(LiNbO3，LN)等。由于普通的非线性晶体中存在色散，直接采用体晶体的形式难以达到动量守恒的要求，并且对光场的限制太弱，产生纠缠光子对的效率很低。后来，准相位匹配技术的出现有效地解决了动量守恒的问题，通过对铁电畴晶体如铌酸锂晶体的极化方向进行周期性反转，补偿混合波之间的动量失配，有效地满足了相位匹配条件。而铌酸锂薄膜波导结构的出现则大大增强了光场的局域性，同时保证了光子之间严格的共线传输。将这两种技术相结合制备周期极化铌酸锂薄膜波导，极大地提高了光子对的产生效率，已经成为目前最高效、简易的纠缠光源制备方法。
现有基于周期极化铌酸锂波导产生偏振纠缠光子对的方案主要有三种，可以按照波导与极化周期的数量分类：第一种是利用两根单极化周期铌酸锂波导的马赫-曾德尔干涉仪结构，该结构不需要增加后置分离与选择光子对的设备，但是需要复杂的波导设计与严格的相位调控；第二种是利用单根单极化周期铌酸锂波导的反向传输自发参量下转换过程，该构型中信号光子与闲频光子的传输反向相反，降低了光子对分离的难度，但光路的设计与对准变得更为复杂，系统稳定性下降，并且极化周期很短，加工难度大；第三种则是利用单根双极化周期铌酸锂波导结构，通过在一个波导上同时制备两个不同的极化周期，使得两个自发参量下转换过程同时满足准相位匹配条件，该方案结构紧凑，但制备过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的是，针对上面提到的问题，提供了一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置。
为实现以上发明目的，本发明采取的技术方案是：
本发明公开了一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，包括依序排列的泵浦光源模块、纠缠光子对产生模块和光子对探测模块；
泵浦光源模块用于产生具有一定偏振角的线偏振泵浦光，包括产生泵浦光的单频连续/脉冲激光器，以及其后用于控制泵浦光强度的可调光衰减器和控制泵浦光偏振角度的偏振控制器；
纠缠光子对产生模块包含经过色散调控的单根单极化周期铌酸锂薄膜波导，用于使泵浦光发生前向传输的自发参量下转换过程以产生偏振纠缠光子对，偏振纠缠光子对包含同向传输的信号光子与闲频光子；
光子对探测模块用于分离和探测偏振纠缠光子对，包括置于铌酸锂薄膜波导的输出端，用于将信号光子与闲频光子分离两路的半透半反镜/二向色镜、信号光子光路上的第一带通滤波和第一单光子探测器、闲频光子光路上的第二带通滤波和第二单光子探测器、与第一单光子探测器和第二单光子探测器光路相连的符合计数器；纠缠光子对经过分离后，信号光子将输入到第一带通滤波器中滤去剩余的泵浦光和杂散光，并由第一单光子探测器探测；闲频光子将输入到第二带通滤波器中滤去剩余的泵浦光和杂散光，并由第二单光子探测器探测；最终由符合计数器进行对第一单光子探测器和第二单光子探测器的探测结果进行符合计数。
进一步地，本发明周期极化铌酸锂薄膜波导具有宽度和高度两个结构参数，波导的色散调控过程是对波导准相位匹配结构的宽度和高度进行调控，具体包括以下步骤：
S1、根据铌酸锂晶体的电光系数矩阵确定铌酸锂薄膜波导的晶体切向与传播方向，以确保产生的光子对处于偏振纠缠态；
S2、调控铌酸锂薄膜波导的两个重要结构参数——宽度与高度，以支持多个波长下的基模传输，减少高阶模式的干扰；
S3、在S2提供的波导结构参数范围内，修改波导的宽度和高度来调整基本TE和TM模式的色散，以补偿铌酸锂晶体的双折射效应，使得在同一个极化周期下两种模式的准相位匹配条件被同时满足，两种模式都能够有效地进行自发参量下转换；
S4、改变泵浦光的偏振方向，使得两种偏振模式下的自发参量下转换过程具有不同的泵浦功率，以获得相同的光子对产生概率。进一步地，本发明铌酸锂薄膜波导的晶体切向与传播方向的选择包括两种：y切x传或z切x传，对应产生偏振纠缠态
进一步地，本发明周期极化铌酸锂薄膜波导由周期性极化后的铌酸锂薄膜制备而来，包括上层经过周期极化的脊型铌酸锂薄膜波导，中间的SiO2绝缘层，及下层的铌酸锂或单晶硅衬底。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过计算铌酸锂薄膜直波导的波导色散，选择合适的波导结构参数，使得在单极化周期下的单根波导能够同时补偿两种偏振方向上的下转换相位失配，产生偏振纠缠光子对，提供了一种简单紧凑、易于制备的偏振纠缠光源。
(2)本发明通过启动前向传输的自发参量下转换过程，产生同向、共线传输的信号光子和闲频光子，仅在波导后端添加半透半反镜/二向色镜进行光子对的分离，无需设计复杂的后置分离与选择光路，也无需复杂的相位调控过程，光路相对简化。
(3)本发明中泵浦光及纠缠光子对的波长可以通过改变波导的结构参数和极化周期灵活设计。
(4)本发明利用了铌酸锂晶体的几个突出特点——优良的二阶非线性效应、高效的准相位匹配技术、具有光场强约束效果和高非线性转化效率的薄膜波导结构、成熟的制备和加工工艺以及灵活的波导光路设计，提供了一种稳定、可集成的芯片化偏振纠缠光源。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置的结构示意图；
图中各标号所代表的部件列表如下：
1是泵浦光源模块，2是纠缠光子对产生模块，3是光子对探测模块，11是单频连续/脉冲激光器，12是可调光衰减器，13是偏振控制器，31是半透半反镜/二向色镜，32是第一带通滤波器，33是第一单光子探测器，34是第二带通滤波器，35是第二单光子探测器，36是符合计数器。
图2为本发明所采用的脊型周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构示意图；
图中，41是经过周期极化的脊型铌酸锂薄膜波导，42是SiO2绝缘层，43是铌酸锂或单晶硅衬底；
图3(a)-(c)为本发明中周期极化铌酸锂薄膜波导内自发参量下转换产生纠缠光子对的基本原理，其中图3(a)表示纠缠光子对产生的过程，图3(b)表示能量守恒过程，图3(c)表示动量守恒过程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置的结构示意图如图1所示，整个装置可以分为泵浦光源模块1、纠缠光子对产生模块2和光子对探测模块3三个模块，按照顺序依次连接。
根据本发明，泵浦光由泵浦光源模块1中的单频连续/脉冲激光器11产生，泵浦光可以为单频连续激光或者脉冲激光的形式，因此单频连续/脉冲激光器11可以为单频连续激光器或脉冲激光器。
可选地，泵浦光可以具有863.6nm的波长。
如图所示，本发明的泵浦光源模块1中，单频连续/脉冲激光器11连接可调光衰减器12和偏振控制器13，分别用于控制泵浦光的强度和偏振角度，以满足自发参量下转换过程的需求。
根据本发明，具有一定强度和偏振角度的线偏振泵浦光输入到纠缠光子对产生模块2的周期极化铌酸锂薄膜波导中，将产生一对简并/非简并的偏振纠缠光子对。
图2为本发明中周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构图，该波导由商用的智能切割的z切铌酸锂晶圆制备而来，通过在周期极化后的铌酸锂单晶薄膜上使用金刚石切割、化学机械抛光或干法刻蚀等工艺形成具有60°左右侧壁的脊型直波导结构。如图2所示，该波导包括上层经过周期极化的脊型铌酸锂薄膜波导41，中间的SiO2绝缘层42，及下层的铌酸锂或单晶硅衬底43。
图2中标记出了铌酸锂波导色散调控的两个关键参数：宽度w与高度h。
在本实施例中，采用z切x传的周期极化铌酸锂薄膜波导，忽略制备过程中产生的波导侧壁倾斜角，其中波导高度w为600nm，波导宽度h为787.5nm，极化周期为2.27μm，对应于863.6nm的泵浦光下转换产生1550nm的信号光子和1950nm波长的闲频光子。
图3(a)-(c)为本发明中周期极化铌酸锂薄膜波导内自发参量下转换产生纠缠光子对的基本原理，其中图3(a)表示纠缠光子对产生的过程，图3(b)表示能量守恒过程，图3(c)表示动量守恒过程。
下面结合图2和图3进一步解释本发明中周期极化铌酸锂薄膜波导结构参数的设计思路。该过程必须包括以下三个要求：
首先，波导应同时支持几个波长下的TE和TM模式。由于铌酸锂薄膜波导的大折射率对比度，只要波导的尺寸不太小，就可以支持TE和TM模式。与此同时，波导的尺寸不能过大，否则会存在高阶模式的干扰。
在本实施例中，根据图3(b)的能量守恒定律，泵浦光波长863.6nm可以下转换为1550nm的信号光子和1950nm的闲频光子，由此选取波导高度h在500nm-800nm，宽度w在400nm-1000nm之间。
其次，基本TE和TM模式中的单个光子都可以被有效地进行下转换。由于铌酸锂晶体存在双折射效应，TE和TM模式的波矢量失配通常不同，因此需要两组不同的反转周期进行补偿。在本发明中，通过修改波导几何结构，即选择适当的波导宽度和高度来调整两种模式的色散，可以实现在单极化周期下同时满足两种模式的准相位匹配条件，从而满足第二个要求。该过程包含的动量守恒原理如图3(c)所示。
在本实施例中，通过比较两种模式下极化周期与波导宽度、深度之间的关系，选取极化周期之差为零时的波导尺寸，最终确定波导高度w为600nm，波导宽度h为787.5nm，极化周期为2.27μm。
继续参见图3(c)，TE模式的泵浦光入射到z切x传的周期极化铌酸锂薄膜波导中，利用了非线性系数d22，产生了同为TE模式的信号光和闲频光；TM模式的泵浦光入射到波导中，利用了非线性系数d33，产生了同为TM模式的信号光和闲频光。两个过程相结合最终得到一个偏振纠缠态：
最后，两种偏振模式的下转换效率应相同。在本实施例中，TE模式利用的铌酸锂晶体非线性系数d33为25.2pm/V，TM模式利用的铌酸锂晶体非线性系数d22为2.4pm/V，导致不同偏振模式的光在铌酸锂晶体中的非线性效率不同；与此同时，在铌酸锂波导中不同模式的模式面积、互相作用的三个光场的模式重叠度也不相同。为了补偿以上差异，可以利用泵浦光源模块1中的偏振控制器13改变泵浦光的偏振方向，使得两种偏振模式的下转换过程具有不同的泵浦功率，以获得相同的光子对产生概率。
根据本发明，两个纠缠光子入射到光子对探测模块3后，由二向色镜31将两个非简并的光子分离到两路光路中，信号光由第一带通滤波器32滤去剩余的泵浦光和其他杂散光，并由第一单光子探测器33探测，闲频光由第二带通滤波器34滤去泵浦光和杂散光，并由第二单光子探测器35探测，最终探测结果通过符合计数器36进行符合计数。
以上结合附图详细解释了本发明实施方式，但本领域的科研人员和技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，其特征在于，包括依序排列的泵浦光源模块(1)、纠缠光子对产生模块(2)和光子对探测模块(3)，其中：
所述泵浦光源模块(1)用于产生具有一定偏振角的线偏振泵浦光，包括产生泵浦光的单频连续/脉冲激光器(11)，以及其后用于控制泵浦光强度的可调光衰减器(12)和控制泵浦光偏振角度的偏振控制器(13)；
所述纠缠光子对产生模块(2)包含经过色散调控的单根单极化周期铌酸锂薄膜波导，用于使所述泵浦光发生前向传输的自发参量下转换过程以产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包含同向传输的信号光子与闲频光子；
所述光子对探测模块(3)用于分离和探测所述偏振纠缠光子对，包括置于所述铌酸锂薄膜波导的输出端，用于将信号光子与闲频光子分离两路的半透半反镜/二向色镜(31)、信号光子光路上的第一带通滤波器(32)和第一单光子探测器(33)、闲频光子光路上的第二带通滤波器(34)和第二单光子探测器(35)、与第一单光子探测器(33)和第二单光子探测器(35)光路相连的符合计数器(36)；纠缠光子对经过分离后，所述信号光子将输入到第一带通滤波器(32)中滤去剩余的泵浦光和杂散光，并由第一单光子探测器(33)探测；所述闲频光子将输入到第二带通滤波器(34)中滤去剩余的泵浦光和杂散光，并由第二单光子探测器(35)探测；最终由符合计数器(36)进行对第一单光子探测器(33)和第二单光子探测器(35)的探测结果进行符合计数。
2.根据权利要求1所述的基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，其特征在于，所述周期极化铌酸锂薄膜波导具有宽度和高度两个结构参数，所述波导的色散调控过程是对波导准相位匹配结构的宽度和高度进行调控，具体包括以下步骤：
S1、根据铌酸锂晶体的电光系数矩阵确定所述铌酸锂薄膜波导的晶体切向与传播方向，以确保产生的光子对处于偏振纠缠态；
S2、调控铌酸锂薄膜波导的两个重要结构参数——宽度与高度，以支持多个波长下的基模传输，减少高阶模式的干扰；
S3、在S2提供的波导结构参数范围内，修改波导的宽度和高度来调整基本TE和TM模式的色散，以补偿铌酸锂晶体的双折射效应，使得在同一个极化周期下两种模式的准相位匹配条件被同时满足，两种模式都能够有效地进行自发参量下转换；
S4、改变泵浦光的偏振方向，使得两种偏振模式下的自发参量下转换过程具有不同的泵浦功率，以获得相同的光子对产生概率。
3.根据权利要求1所述的基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，所述铌酸锂薄膜波导的晶体切向与传播方向的选择包括两种：y切x传或z切x传，对应产生偏振纠缠态
4.根据权利要求1所述的基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置，其特征在于：所述周期极化铌酸锂薄膜波导由周期性极化后的铌酸锂薄膜制备而来，包括上层经过周期极化的脊型铌酸锂薄膜波导(41)，中间的SiO2绝缘层(42)，及下层的铌酸锂或单晶硅衬底(43)。
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| CN (1) | CN115981068A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116400369A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-07-07 | 浙江大学 | 基于量子诱导相干的探测方法及装置 |
| CN116609985A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-18 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源 |
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2023
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| CN116609985A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-18 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源 |
| CN116609985B (zh) * | 2023-07-20 | 2023-09-15 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源 |
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