CN115981069A - 基于ppktp晶体的全光纤纠缠源及其器件耦合封装方法 - Google Patents

基于ppktp晶体的全光纤纠缠源及其器件耦合封装方法 Download PDF

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刘慧�
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栗帅
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Abstract

本发明提出了一种基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源,以及用于该全光纤纠缠源中的参量下转换单元的耦合封装方法。其中,借助光纤器件和光纤传输信道实现纠缠源的光路结构,并将用于实现参量下转换过程的器件以一体封装的方式设置于光路结构中,可以实现更好的系统稳定性,并大大降低调试难度。并且,本发明的纠缠源允许采用较少的光学器件,整体结构简单紧凑,且可以作为光源集成到QKD系统中,从而能够允许实现更高的集成性。此外,本发明的耦合封装方法可以确保在参量下转换单元上实现良好的封装及光耦合效果。

Description

基于PPKTP晶体的全光纤纠缠源及其器件耦合封装方法
技术领域
本发明涉及量子技术领域,尤其涉及一种基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源,以及用于该全光纤纠缠源中的参量下转换单元的耦合封装方法。
背景技术
量子纠缠是量子信息学科中最为重要的一个课题,它的制备在实验上有许多方法,其中最为常用的就是利用非线性晶体的参量下转换方法。
图1示出了现有技术中的一种纠缠源结构。如图1所示,波长为518nm的泵浦光由聚焦透镜113汇聚到双向色镜114上,然后进入偏振分束器115被分成水平偏振分量和垂直偏振分量。其中,水平偏振分量经透射输出至第一反射镜116上,由第一反射镜116反射进入PPKTP晶体117,垂直偏振分量经过半波片118后其偏振方向由垂直偏振变成水平偏振,再经第二反射镜119反射进入PPKTP晶体117,经过非线性过程,顺时针和逆时针方向分别产生波长为780nm和1550nm关联光子对。两个方向产生的两对关联光子对然后同时返回到偏振分束器115,最后在偏振分束器115出射波长780nm的光子,从双向色镜114出射波长为1550nm的光子,两光子是纠缠关系。
然而,现有技术为空间光器件搭建,调试难度较大,且系统稳定性低,同时不利于进行系统集成。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明提出了一种基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源,以及用于该全光纤纠缠源中的参量下转换单元的耦合封装方法。其中,借助光纤器件和光纤传输信道实现纠缠源的光路结构,并将用于实现参量下转换过程的器件以一体封装的方式设置于光路结构中,可以实现更好的系统稳定性,并大大降低调试难度。并且,本发明的纠缠源允许采用较少的光学器件,整体结构简单紧凑,且可以作为光源集成到QKD系统中,从而能够允许实现更高的集成性。此外,本发明的耦合封装方法可以确保在参量下转换单元上实现良好的封装及光耦合效果。
具体而言,本发明的第一方面涉及一种用于全光纤纠缠源的参量下转换单元的耦合封装方法,其依次包括基本参数确定步骤、耦合准直器布置步骤、PPKTP晶体布置步骤及固化步骤;
在所述基本参数确定步骤中,确定第一耦合准直器和第二耦合准直器之间的工作距离,并根据PPKTP晶体的横截面积确定所述第一耦合准直器和第二耦合准直器的准直光束直径,其中,所述工作距离大于所述PPKTP晶体的长度;
在所述耦合准直器布置步骤中,将所述第一耦合准直器和第二耦合准直器放置于安装结构件中,并借助多维调节机构调节所述第一耦合准直器和/或第二耦合准直器的方位以使收光效率最优;
在所述PPKTP晶体布置步骤中,将所述PPKTP晶体放置于所述安装结构件中,并调节所述PPKTP晶体的方位以使收光效率最优,其中,所述第一耦合准直器和第二耦合准直器位于所述PPKTP晶体的两侧;
在所述固化步骤中,将所述第一耦合准直器、第二耦合准直器和PPKTP晶体的位置固化。
进一步地,所述耦合准直器布置步骤还包括将所述第一耦合准直器的尾纤接入调试光源,以及将所述第二耦合准直器的尾纤接入光功率计的步骤。
优选地,所述调试光源具有与泵浦光相同的波长,或者与参量下转换光相同的波长。
进一步地,在所述固化步骤中,通过点胶方式固定所述第一耦合准直器、第二耦合准直器和PPKTP晶体。
进一步地,所述多维调节机构至少具有X、Y和Z轴位置调节功能以及θX和θY角度调节功能,所述θX和θY分别为关于X和Y轴的夹角,X轴为所述PPKTP晶体的纵向轴。
本发明的第二方面涉及一种基于PPKTP晶体的全光纤纠缠源,其包括泵浦光源、光学传输器件、偏振分束器、偏振旋转单元和参量下转换单元;
所述光学传输器件具有第一、第二和第三端口,其中,由所述第一端口输入的光经第二端口输出,由所述第二端口输入的光经第三端口输出;
所述泵浦光源用于生成第一波段上的泵浦光,且被设置成通过第一光纤连接所述光学传输器件的第一端口;
所述偏振分束器具有第一、第二、第三和第四端口,且被设置成:第一端口通过第二光纤连接所述光学传输器件的第二端口,以将所述泵浦光分成第一和第二泵浦光分量并分别经所述第三和第四端口输出;以及,所述第三和第四端口通过第三光纤连接以形成萨格奈克环路;
所述偏振旋转单元和参量下转换单元设于所述萨格奈克环路中,所述偏振旋转单元被设置用于使光偏振态发生90度旋转,所述参量下转换单元被设置用于使所述泵浦光分量发生自发参量下转换以生成第二波段上的参量下转换光,所述第一波段不同于第二波段。
进一步地,所述光学传输器件为环形器;或者,所述光学传输器件为波分复用器,其中,所述第一端口仅允许传输第一波段上的光,所述第三端口仅允许传输第二波段上的光,所述第二端口允许传输第一波段和第二波段上的光。
进一步地,所述偏振分束器为光纤偏振分束器。
进一步地,所述参量下转换单元包括PPKTP晶体,以及分别设于所述PPKTP晶体两侧的第一和第二耦合准直器。优选地,所述参量下转换单元可以由上述耦合封装方法形成。
进一步地,所述第一光纤为单模保偏光纤,所述第二光纤为全波长保偏光纤,所述第三光纤为全波长保偏光纤。
更进一步地,所述偏振旋转单元为偏振控制器,或者通过所述第三光纤与偏振分束器的旋转对准来实现。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍,显而易见,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的前提下,还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示意性地示出了现有技术中的一种纠缠源结构;
图2示意性地示出了根据本发明的基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源的一种实施例;
图3示意性地示出了根据本发明的基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源的另一种实施例。
具体实施方式
在下文中,本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供,以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此,本发明不限于本文公开的实施例。
图2示意性地示出了根据本发明的基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源的一种实施例。
如图2所示,全光纤纠缠源包括泵浦光源1、光学传输器件2、偏振分束器3、偏振旋转单元4和参量下转换单元。
泵浦光源1用于生成泵浦光,其可以借助激光器来实现,例如脉冲激光器或者连续光激光器。
在本发明中,泵浦光可以具有处于第一波段上的波长λp,例如为518nm。
泵浦光源1通过第一光纤连接光学传输器件2的第一端口P1,以允许泵浦光经光学传输器件2的第二端口P2输出。其中,第一光纤可以为单模保偏光纤。
作为示例,光学传输器件2可以为环形器,如图2所示。
光学传输器件2的第二端口P2通过第二光纤连接光纤偏振分束器3的第一端口P1,以允许泵浦光从该第一端口P1输入光纤偏振分束器3,并被分光形成第一和第二泵浦光分量。例如,第一泵浦光分量可以为经透射从光纤偏振分束器3的第三端口P3输出的水平偏振分量,第二泵浦光分量可以为经反射从光纤偏振分束器3的第四端口P4输出的垂直偏振分量。其中,第二光纤可以为全波长保偏光纤。
光纤偏振分束器3的第三端口P3和第四端口P4通过第三光纤连接,从而形成萨格奈克环路。其中,第三光纤可以为全波长保偏光纤。
第一泵浦光分量将从光纤偏振分束器3的第三端口P3进入萨格奈克环路并开始沿顺时针方向在环路中传输,第二泵浦光分量同时将从光纤偏振分束器3的第四端口P4进入萨格奈克环路并开始沿逆时针方向在环路中传输。
参量下转换单元设置在萨格奈克环路(即第三光纤)中,用于使第一泵浦光分量在PPKTP晶体中发生自发参量下转换过程以生成第一参量下转换光,以及使第二泵浦光分量在PPKTP晶体中发生自发参量下转换过程以生成第二参量下转换光。其中,参量下转换光将包括一对信号光子和闲频光子,信号光子具有波长λs,闲频光子具有波长λi,并且参量下转换光的波长(λS、λi)所在的第二波段会不同于泵浦光所在的第一波段。例如,在泵浦光的波长为518nm时,参量下转换光中将会存在780nm和1550nm的波长。
继续参见图2,在本发明的纠缠源中,参量下转换单元包括一体封装在安装结构件中的第一耦合准直器5、第二耦合准直器7和PPKTP晶体6。
在该参量下转换单元中,PPKTP晶体6位于第一耦合准直器5和第二耦合准直器7之间,其中:第一耦合准直器5与PPKTP晶体6形成光耦合,且其尾纤作为参量下转换单元的一个连接端与第三光纤连接以例如接收第一泵浦光分量;第二耦合准直器7与PPKTP晶体6形成光耦合,且其尾纤作为参量下转换单元的另一连接端与第三光纤连接以例如接收第二泵浦光分量。
在本发明中,为确保在参量下转换单元上实现良好的封装及光耦合效果,可以采用下文描述的耦合封装方法。
根据本发明的耦合封装方法可以包括基本参数确定步骤、耦合准直器布置步骤、PPKTP晶体布置步骤及固化步骤。
在基本参数确定步骤中,需要根据PPKTP晶体6的长度确定第一耦合准直器5和第二耦合准直器7之间的工作距离,使该工作距离略大于PPKTP晶体6的长度,以便于PPKTP晶体6在光路中的放置和调试。在确定该工作距离之后,还要根据PPKTP晶体6的横截面面积,确定第一耦合准直器5和第二耦合准直器7的准直光束直径,以便例如调试光能够高效率地进入耦合准直器的尾纤。其中,优选将调试光源选择成其波长与泵浦光的波长相同,或者与参量下转换光的波长相同。
在确定上述参数之后,则可以根据第一耦合准直器5、PPKTP晶体6和第二耦合准直器7的结构尺寸进一步设计确定安装结构件的结构及尺寸。
此后,在耦合准直器布置步骤中,可以将第一耦合准直器5和第二耦合准直器7放置在安装结构件的相应位置上。同时,将第一耦合准直器5和第二耦合准直器7安装在具有多维调节功能的调节机构上,以便允许对各耦合准直器的方位进行调节。
在优选示例中,调节机构可以具有θX、θY、X、Y和Z等调节维度,其中,X、Y和Z为直角坐标系的三个坐标轴,例如X轴可以为PPKTP晶体的纵向轴,θX和θY分别为关于X和Y轴的夹角。
因此,可以将例如第一耦合准直器5的尾纤接入调试光源,第二耦合准直器7的尾纤接入光功率计。打开调试光源,借助调节机构调节两个耦合准直器的方位,直至收光效率达到最优值。由此,基本实现耦合准直器在安装结构中的布置工作。
在PPKTP晶体布置步骤中,可以将PPKTP晶体放置在安装结构件的相应位置,并对PPKTP晶体的方位进行微调,直至收光效率达到最优值。
在完成耦合准直器和PPKTP晶体的布置步骤之后,则可以对第一耦合准直器5、第二耦合准直器7和PPKTP晶体6进行点胶固化,由此完成参量下转换单元的封装步骤。
继续参见图2,在本发明中,偏振旋转单元4用于使光偏振态发生90度旋转。
作为示例,偏振旋转单元4可以借助偏振控制器来实现,如图2所示那样。
作为另一种示例,偏振旋转单元4还可以通过为保偏光纤的第三光纤与光纤偏振分束器3的光轴旋转对准来实现。
在图2的实施例中,在萨格奈克环路中沿顺时针方向行进的第一泵浦光分量将经第一耦合准直器5的尾纤进入参量下转换单元。
如前所述,第一泵浦光分量具有水平偏振方向,其在PPKTP晶体6中发生自发参量下转换过程,以一定概率生成第一参量下转换光,其包括信号光|Hs>和闲频光|Vi>。
由参量下转换单元输出的第一参量下转换光将会进一步到达偏振旋转单元4,并发生90度的偏振态旋转,此时,第一参量下转换光包括信号光|Vs>和闲频光|Hi>,其将由光纤偏振分束器3的端口P4进入光纤偏振分束器3。
在萨格奈克环路中沿逆时针方向行进的第二泵浦光分量在到达参量下转换单元之前先到达偏振旋转单元4,并发生90度的偏振态旋转,即,其由垂直偏振变为水平偏振。因此,水平偏振的第二泵浦光分量随后将经第二耦合准直器7的尾纤进入参量下转换单元。
水平偏振的第二泵浦光分量在PPKTP晶体6中发生自发参量下转换过程,以一定概率生成第二参量下转换光,其包括信号光|Hs>和闲频光|Vi〉,并在从参量下转换单元输出后经光纤偏振分束器3的端口P3进入光纤偏振分束器3。
由此可见,在光纤偏振分束器3的第三端口P3处存在信号光|Hs>和闲频光|Vi>,同时在光纤偏振分束器3的第四端口P4处存在信号光|Vs>和闲频光|Hi>,因此,光纤偏振分束器3的第一端口P1处会输出信号光|Vs>和|Hs>,其将输入环形器2的第二端口P2并由第三端口P3出射;光纤偏振分束器3的第二端口P2处会直接输出闲频光|Hi>和|Vi>。由于光子的全同性,当在环形器2的第三端口P3和光纤偏振分束器3的第二端口P2同时探测到光子时,无法分辨下转换光子来自哪条路径,此时两个光子便处于纠缠态。
图3示意性地示出了根据本发明的基于PPKTP晶体实现的全光纤纠缠源的另一种实施例,其与图2所示实施例的不同之处在于,光学传输器件2采用波分复用器来实现,而非环形器。
在该实施例中,波分复用器2可以被配置成:第一端口P1仅允许传输第一波段上的光,第三端口P3仅允许传输第二波段上的光,第二端口P2允许传输第一波段和第二波段上的光。因此,在本发明的纠缠源中,由激光器1输出的泵浦光可以由波分复用器2的第一端口P1输入并由第二端口P2输出,由偏振分束器3输出的参量下转换光可以由波分复用器的第二端口P2输入并由第三端口P3输出。
基于上文的描述可见,本发明提出了一种基于全光纤结构实现的基于PPKTP晶体的纠缠源,其中用于实现参量下转换过程的器件以一体封装的方式设置于光路结构中,由此相对于已有基于空间器件搭建的纠缠源方案,可以实现更好的系统稳定性,并大大降低调试难度。并且,本发明的纠缠源中允许采用较少的光学器件,整体结构简单紧凑,且可以作为光源集成到QKD系统中,从而允许实现更高的集成性。本发明还进一步提出了一种用于实现参量下转换过程的器件的耦合封装方法,以确保在参量下转换单元上实现良好的封装及光耦合效果。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明,但是,本领域技术人员容易认识到,上述实施例仅仅是示例性的,用于说明本发明的原理,其并不会对本发明的范围造成限制,本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换,而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于全光纤纠缠源的参量下转换单元的耦合封装方法,其依次包括基本参数确定步骤、耦合准直器布置步骤、PPKTP晶体布置步骤及固化步骤;
在所述基本参数确定步骤中,确定第一耦合准直器和第二耦合准直器之间的工作距离,并根据PPKTP晶体的横截面积确定所述第一耦合准直器和第二耦合准直器的准直光束直径,其中,所述工作距离大于所述PPKTP晶体的长度;
在所述耦合准直器布置步骤中,将所述第一耦合准直器和第二耦合准直器放置于安装结构件中,并借助多维调节机构调节所述第一耦合准直器和/或第二耦合准直器的方位以使收光效率最优;
在所述PPKTP晶体布置步骤中,将所述PPKTP晶体放置于所述安装结构件中,并调节所述PPKTP晶体的方位以使收光效率最优,其中,所述第一耦合准直器和第二耦合准直器位于所述PPKTP晶体的两侧;
在所述固化步骤中,将所述第一耦合准直器、第二耦合准直器和PPKTP晶体的位置固化。
2.如权利要求1所述的耦合封装方法,其中,所述耦合准直器布置步骤还包括将所述第一耦合准直器的尾纤接入调试光源,以及将所述第二耦合准直器的尾纤接入光功率计的步骤。
3.如权利要求2所述的耦合封装方法,其中,所述调试光源具有与泵浦光相同的波长,或者与参量下转换光相同的波长。
4.如权利要求1所述的耦合封装方法,其中,在所述固化步骤中,通过点胶方式固定所述第一耦合准直器、第二耦合准直器和PPKTP晶体。
5.如权利要求1所述的耦合封装方法,其中,所述多维调节机构至少具有X、Y和Z轴位置调节功能以及θX和θY角度调节功能,所述θX和θY分别为关于X和Y轴的夹角,X轴为所述PPKTP晶体的纵向轴。
6.一种基于PPKTP晶体的全光纤纠缠源,其包括泵浦光源、光学传输器件、偏振分束器、偏振旋转单元和参量下转换单元;
所述光学传输器件具有第一、第二和第三端口,其中,由所述第一端口输入的光经第二端口输出,由所述第二端口输入的光经第三端口输出;
所述泵浦光源用于生成第一波段上的泵浦光,且被设置成通过第一光纤连接所述光学传输器件的第一端口;
所述偏振分束器具有第一、第二、第三和第四端口,且被设置成:第一端口通过第二光纤连接所述光学传输器件的第二端口,以将所述泵浦光分成第一和第二泵浦光分量并分别经所述第三和第四端口输出;以及,所述第三和第四端口通过第三光纤连接以形成萨格奈克环路:
所述偏振旋转单元和参量下转换单元设于所述萨格奈克环路中,所述偏振旋转单元被设置用于使光偏振态发生90度旋转,所述参量下转换单元被设置用于使所述泵浦光分量发生自发参量下转换以生成第二波段上的参量下转换光,所述第一波段不同于第二波段。
7.如权利要求6所述的全光纤纠缠源,其中,所述光学传输器件为环形器;或者,
所述光学传输器件为波分复用器,其中,所述第一端口仅允许传输第一波段上的光,所述第三端口仅允许传输第二波段上的光,所述第二端口允许传输第一波段和第二波段上的光。
8.如权利要求6所述的全光纤纠缠源,其中,所述偏振分束器为光纤偏振分束器。
9.如权利要求6所述的全光纤纠缠源,其中,所述参量下转换单元包括PPKTP晶体,以及分别设于所述PPKTP晶体两侧的第一和第二耦合准直器。
10.如权利要求9所述的全光纤纠缠源,其中,所述参量下转换单元由如权利要求1-5中任一项所述的耦合封装方法形成。
11.如权利要求6所述的全光纤纠缠源,其中,所述第一光纤为单模保偏光纤,所述第二光纤为全波长保偏光纤,所述第三光纤为全波长保偏光纤。
12.如权利要求11所述的全光纤纠缠源,其中,所述偏振旋转单元为偏振控制器,或者通过所述第三光纤与偏振分束器的旋转对准来实现。
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