CN207318894U - 一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统 - Google Patents

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张立涛
郭邦红
胡敏
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Abstract

本实用新型提供一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括泵浦单元，纠缠光子对产生单元、波分复用单元和宣布单元。泵浦单元的脉冲激光器发射通信波段1550nm波长附近的脉冲宽度为τ的激光，经过马赫‑曾德尔干涉仪形成时间间隔为T(T＞τ)的时间纠缠脉冲对；纠缠脉冲对经过光纤耦合进纠缠对产生单元的高Q值的微环腔，由于微环腔内的三阶非线性作用，使得时间纠缠的泵浦光脉冲转化为可控的大量多波长的时间纠缠的光子对；波长不同的时间纠缠光子对经由波分复用单元以不同的出口出射，到达宣布单元；宣布单元的若干个单光子探测器，根据对应通道检测闲频光的响应情况来宣布信号单光子的产生，从而发射出通信波段的多波长单光子。

Description

一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统
技术领域
本实用新型涉及量子信息技术以及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。
背景技术
单光子源是指在某一时刻仅仅发射一个光子的光源，是研究量子物理和量子信息技术的一个重要工具。单光子源在量子信息领域中扮演着一个重要的角色，尤其在量子通信和量子计算研究领域都需要稳定的、高速的单光子源，因而单光子源是当前的研究热点。量子通信实验中人们普遍利用相位随机化的精密控制强光衰减弱相干光用作准单光子源(例如监控输出功率，控制每个脉冲的平均光子数为0.1)，相位随机化的弱相干光的光子数分布服从泊松分布式中λ为平均光子数，k为光子数，P(x＝k)为光子数为k时的概率，e为自然常数，对于平均光子数为0.1的弱相干光，空脉冲的概率为0.9，单光子概率为0.09，两个及两个以上光子概率为0.01，由此可以看出弱相干光存在大量空脉冲与少量的多光子脉冲，因此实际应用中也会带来低效率与安全性差的问题。
对于近理想的单光子源，现有技术中通常利用量子点、单个原子来产生单光子。量子点光源很接近理想的单光子源，已经在量子通信中有所应用，但是这中方法需要复杂的结构、极低的温度(小于10K)。且收集效率不高，很难高效地与单模光纤耦合。利用囚禁的单个原子或分子可以制成接近理想的单光子源，但是单个原子或者分子的俘获是一个复杂的技术，因此限制了他的应用。另一种方法是采用二阶非线性效应的孪生光子对，探测一个闲频光子宣布另一个信号光子的存在，但是孪生光子对的产生本身就是概率性的，并且宣布效率较低(小于0.5)，此外此种宣布式单光子源也较难高效的与单模光纤耦合。
实用新型内容
本实用新型提供一种可以提高单光子的产生率和利用率的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。
为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括顺次连接的泵浦单元，纠缠光子对产生单元和宣布单元；所述泵浦单元包括相互连接的激光器和马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括光纤分束器、光纤耦合器，光纤分束器与激光器连接；所述宣布单元包括若干光纤布拉格光栅，每两个光纤布拉格光栅接收一对来自光纤分束器的纠缠光子，每两个光纤布拉格光栅中的一个光纤布拉格光栅连接单光子探测器，另一个连接单光子发射端。
优选地，所述所述激光器是输出激光波长为通信波段1550nm附近的脉冲激光器。
优选地，所述纠缠光子对产生单元是微环腔，该微环腔是在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微环谐振腔。
进一步地，所述微环腔的品质因数大于180000。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型采用的微环腔产生波长不同的多对纠缠光子对，多个单光子探测器宣布多波长光子，可以提高单光子的产生率和利用率；泵浦源采用通信波段1550nm波长附近，提供宣布式多波长单光子源有利于在量子通信和量子信息处理中的应用；微环腔利用现有的CMOS工艺技术，可以大规模生产高质量微环腔；采用M-Z干涉仪，波分复用器件，器件简易，并不需要苛刻的工作条件，有更好的实用性。
附图说明
图1为本实用新型的泵浦单元和纠缠光子对产生单元；
图2为本实用新型的宣布单元；
图3为本实用新型的工作原理图；
图4为本实用新型的工作框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-4所示，一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括泵浦单元1、纠缠光子对产生单元2和宣布单元3。所述各个单元之间通过光纤连接，其中：
所述泵浦单元1包括激光器101，光纤分束器102，光纤耦合器103；激光器101为波长为通信波段1550nm波长附近的激光器，用于产生脉冲激光，光纤分束器102，光纤耦合器103构成马赫-曾德尔干涉仪，产生时间纠缠的脉冲激光。所述马赫-曾德尔干涉仪产生的时间纠缠脉冲光，脉冲的时间间隔大于激光器产生脉冲的时间宽度；马赫-曾德尔干涉仪是一种常用的精密光学装置，光纤分束器102将一束入射光分为两束，分别走长臂和短臂。通过调节长臂和短臂的相对长度来产生不同时间间隔的脉冲，两束光之间有确定的时间和路径关系，从而能够形成纠缠脉冲对。所述纠缠光子对产生单元2包括微环腔，微环腔201采用标准的CMOS工艺制造，在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微环腔201。
所述宣布单元3包括，第一光纤布拉格光栅301、第二光纤布拉格光栅303、第三光纤布拉格光栅305、第四光纤布拉格光栅307，第n光纤布拉格光栅3-(2n-1)；第一单光子探测器302、第二单光子探测器306、第n单光子探测器3-2(2n-1)；第一单光子发射端304，第二单光子发射端308，第n单光子发射端3-(4n)。其中，从第一光纤布拉格光栅开始，每两个相邻的光纤布拉格光栅接收来自光纤分束器102的一对纠缠单光子，每两个光纤布拉格光栅中的一个光纤布拉格光栅连接单光子探测器，另一个连接单光子发射端(如图3中所示，第一光纤布拉格光栅301接收光子λ1，第二光纤布拉格光栅303接收光子λ2，λ1与λ2互为一对纠缠光子第一光纤布拉格光栅301连接接第一单光子探测器302，第二光纤布拉格光栅303连接第二单光子探测器306)，探测器检测闲频光子是否存在，以宣布信号是否存在。
本实用新型工作时，所述激光器101发出通信波段1550nm附近的脉冲为τ激光，通过光纤分束器102、光纤耦合器103组成的马赫-曾德尔干涉仪，将脉冲激光转化成稳定的时间间隔T(其中时间间隔T＞τ)的时间纠缠的脉冲激光脉冲时间纠缠的脉冲对：耦合进微环腔进行泵浦，式中|Ψ>表示态矢量，S和L分表代表经过短臂和经过长臂的光脉冲。经过光纤耦合到高Q值的微环腔201内发生三阶非线性过程产生时间纠缠的光子对由于微环腔内产生三阶非线性效应，从而产生时间纠缠的光子对：式中|Ψtime-bin>表示时间纠缠的态矢量，|Ss,Si>和|Ls,Li>分别表示经过短路径和长路径后，在非线性过程作用下产生的信号光和闲频光，S和L分表代表短路径和长路径，下标s和i分别代表信号光子和闲频光子；由于微环腔内三阶非线性过程产生的时间纠缠光子对通过光纤传输到宣布3的光纤布拉格光栅301、303、305、307到3-(2n-1)，根据波长选择相应的输出端口，由302、306、到3-2(2n-1)单光子探测器检测闲频光，以304、308，到3-4n发射端发射信号光子。
所述激光器101可选择通信用半导体脉冲可调谐激光器，将中心波长调谐到1550nm附近便于和微环腔的耦合；
光纤耦合器103组成的马赫-曾德尔干涉仪，其主要作用为将单脉冲激光转化为时间纠缠的脉冲激光对，时间纠缠的时间间隔T需要大于脉冲的时间宽度τ，目的是形成相互独立的两个脉冲。通过调节马赫-曾德尔干涉仪的两个长臂短臂的相对长度可以调整时间纠缠脉冲的时间间隔的大小，但是需满足条件T＞τ；所述微环腔201采用高折射率二氧化硅玻璃，在1550nm处具有低损耗(<0.6dB/cm)，异常波导色散的非线性光学损耗可忽略不计，且在1560附近有零波长色散，是做为微环腔的理想材料之一。
所述宣布单元3包括n个光纤布拉格光栅301、303、305、307到3-(2n-1)，光纤布拉格光栅可以选择不同波长的光子；n个单光子探测器302、306、到3-2(2n-1)用来检测闲频光，n个发射端304、308，到3-4n发射信号光子，这里n可以根据实际情况灵活增减；单光子探测器响应意味着探测到了纠缠光子对的其中一个，也就宣布了另一个的存在，通过发射端发射单光子用于量子通信或者量子信息处理；我们采用多个探测端口和发射端口大大增加了宣布式单光子源可靠性。
所述302、306、到3-2(2n-1)单光子探测器可以选择雪崩光电二极管(APD)作为单光子探测装置，APD的量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低；
所述发射单元可选择直接在光纤端面镀一层增透膜。
通过上述具体实施方式的说明，我们提出的一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，该系统将波长为通信波段1550nm附近的激光器、马赫-曾德尔干涉仪、微环腔、光栅布拉格光栅、单光子探测器通过光纤连接起来，通过光栅布拉格光栅选择不同波长的光子，利用单光子探测器对闲频光子的响应来宣布信号光子的存在。发射的单光子波长在通信波段1550nm附近，易于传输，便于调制，通过光栅布拉格光栅选择不同波长光子发送到不同的光纤信道，各信道之间相对独立，保证了单光子的较高的产生率和利用率。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，包括顺次连接的泵浦单元(1)，纠缠光子对产生单元(2)和宣布单元(3)；所述泵浦单元(1)包括相互连接的激光器(101)和马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括光纤分束器(102)、光纤耦合器(103)，光纤分束器(102)与激光器(101)连接；所述宣布单元(3)包括若干光纤布拉格光栅，每两个光纤布拉格光栅接收一对来自光纤分束器(102)的纠缠光子，每两个光纤布拉格光栅中的一个光纤布拉格光栅连接单光子探测器，另一个连接单光子发射端。
2.根据权利要求1所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述激光器(101)是输出激光波长为通信波段1550nm附近的脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述纠缠光子对产生单元(2)是微环腔，该微环腔是在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微环谐振腔。
4.根据权利要求3所述的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，其特征在于，所述微环腔的品质因数大于180000。
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