CN209182592U - 一种两路双光子源获取装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种两路双光子源获取装置，其包括光源模块、偏振分束模块及双光子获取模块。其中，偏振分束模块将泵浦光分成第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量。双光子获取模块接收第一水平偏振光分量和第一垂直偏振光分量，使两者在同一环路中相向传播，并基于0型参量下转换效应分别借助第一水平偏振光分量和所述第一垂直偏振光分量生成第一光子对和第二光子对。

Description

一种两路双光子源获取装置

技术领域

本实用新型涉及量子物理技术领域，具体涉及一种两路双光子源获取装置。

背景技术

量子信息科学技术是量子力学和信息科学相结合的交叉学科，近年来受到广泛的关注和研究，有着经典信息技术无法比拟的优势和前景。目前，实用化的量子通信是基于单光子的量子密钥分发；当然，量子纠缠态的应用、量子隐形传态、量子计算机的实现同样是未来量子信息发展的趋势，因此，双光子源作为信息载体是量子科学十分重要的资源。

现有技术采用PPLN波导实现双光子源或纠缠光子源的方案如文献Phys. Rev.A87 020301(R)(2013)中所示，泵浦光先泵浦PPLN波导，产生偏振方向互相垂直的关联光子对，经偏振分束器分束后由法拉第反射镜反射调整两光子光程差，再进入偏振分束器合束，经偏振控制器调整偏振后，由另一偏振分束器分束后进入探测器。

然而，现有技术中在获取纠缠光子对时多采用PPLN波导Ⅱ型参量下转换效应，其效率很低，直接限制了光源的亮度。另外，现有工艺技术很难将Ⅱ型PPLN波导与光纤进行耦合，系统中有部分光路仍然处于自由空间传播，不利于系统集成和稳定。此外，在现有技术中，泵浦激光仅对PPLN波导进行一次泵浦，仅产生一路双光子，并未对波导进行充分利用。此外，现有技术中还会采用双向色镜和多色偏振分束器，这类光学器件是非标准器件，需特殊设计和加工，价格昂贵并且性能的稳定性得不到保证。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了一种两路双光子源获取装置，其包括光源模块1、偏振分束模块2及双光子获取模块。所述光源模块1产生泵浦光。所述偏振分束模块2被设置成将所述泵浦光分成水平偏振的第一泵浦光分量和垂直偏振的第二泵浦光分量。所述双光子获取模块包括非线性晶体波导单元6，且被设置成：接收所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量以使其在同一环路中相向传播；并且调节所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量中的至少一个的偏振方向，以使所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量作为e光输入所述非线性晶体波导单元6中的非线性晶体波导，从而分别基于0型参量下转换效应泵浦生成第一光子对和第二光子对。

优选地，所述双光子获取模块还包括萨格奈克环、第一光学传输单元3、第二光学传输单元4和偏振控制单元5；所述萨格奈克环的两个输入端分别连接所述偏振分束模块2的两个输出端，所述第一光学传输单元3、所述第二光学传输单元4、所述偏振控制单元5和所述非线性晶体波导单元6设置在所述萨格奈克环上。优选地，所述非线性晶体波导单元6中的所述非线性晶体波导为PPLN波导。

优选地，所述光学传输单元3、4具有第一端口、第二端口和第三端口，且被设置成由所述第一端口输入的光经由所述第二端口输出，由所述第二端口输入的光经由所述第三端口输出。并且，所述第一光学传输单元3和所述第二光学传输单元4分别设置在所述萨格奈克环的所述两个输入端与所述非线性晶体波导单元6之间，所述第一端口靠近所述输入端，所述第二端口靠近所述非线性晶体波导单元6。

优选地，所述偏振控制单元5设置在所述第一光学传输单元3或所述第二光学传输单元4与所述非线性晶体波导单元6之间，用于使光偏振方向发生90度旋转。

优选地，所述偏振控制单元5为偏振控制器、半波片、法拉第旋转片或旋光元件。

优选地，所述双光子获取模块还包括设于所述萨格奈克环中的相位调制单元；并且/或者，所述双光子获取模块还包括温控单元，用于对所述非线性晶体波导单元6进行温度控制。

优选地，本实用新型的获取装置还包括位于所述光源模块1和所述偏振分束模块2之间的光隔离模块7和/或偏振控制模块8。

优选地，偏振控制模块8被设置用于将所述泵浦光的偏振方向调节为45度或-45度。

优选地，所述第一和/或第二光学传输单元包括波分复用器、分束器和环形器中的一种。

优选地，本实用新型的获取装置还包括滤波单元，用于对所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和/或第二光子对进行滤波。

优选地，本实用新型的获取装置还包括光子对分离模块，用于将所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和/或所述第二光子对中的信号光子和闲频光子分离。

优选地，所述光子对分离模块包括第一分离单元和第二分离单元，其分别用于接收所述第一光子对和所述第二光子对；或者，所述光子对分离模块包括单个分离单元，其分别经由具有不同光程的光路接收由所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和所述第二光子对。进一步地，所述分离单元可以包括波分复用器或密集波分复用器。

优选地，本实用新型的获取装置还包括可调谐滤波模块，用于对所述信号光子和所述闲频光子的波长进行调谐。

优选地，本实用新型的获取装置为全光纤结构。

附图说明

图1示意性示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的原理图；

图2示意性示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的一种示例性实施例；

图3示意性示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的另一示例性实施例；

图4示意性示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的另一示例性实施例；以及

图5示意性示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的又一示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本实用新型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，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图1示出了根据本实用新型的两路双光子源获取装置的原理图。如图所示，该装置可以包括光源模块1、偏振分束模块2及双光子获取模块。

光源模块1产生泵浦光，其例如可以具有775nm的中心波长。作为示例，光源模块1可以包括激光器。

偏振分束模块2接收泵浦光，并且将其分成偏振方向彼此垂直的两个泵浦光分量，即第一泵浦光分量和第二泵浦光分量。作为示例，第一泵浦光分量可以为水平偏振光分量（H光），第二泵浦光分量可以为垂直偏振光分量（V光）。在本实用新型中，偏振分束模块2可以包括但不限于偏振分束器（PBS）。

双光子获取模块接收第一泵浦光分量和第二泵浦光分量并使它们在同一环路中相向传播。在双光子获取模块中，第一泵浦光分量和第二泵浦光分量中的至少一个的偏振方向受到调节，以便作为e光输入非线性晶体波导单元6中的非线性晶体波导，从而能够作为泵浦光基于0型参量下转换分别生成第一光子对和第二光子对。

在本实用新型中，除了非线性晶体波导单元6，双光子获取模块还可以包括萨格奈克环、第一光学传输单元3、第二光学传输单元4和偏振控制单元5。作为示例，非线性晶体波导可以采用PPLN波导。

萨格奈克环的两个输入端分别连接偏振分束模块2的两个输出端，因此，第一泵浦光分量和第二泵浦光分量将分别沿相反的方向进入萨格奈克环，并且在环路中相向传播。例如，第一泵浦光分量可以沿顺时针方向进入萨格奈克环并在其中传播，第二泵浦光分量可以沿逆时针方向进入萨格奈克环并在其中传播。

第一光学传输单元3、第二光学传输单元4、偏振控制单元5和PPLN波导单元6均设置在萨格奈克环路上。

其中，第一光学传输单元3和第二光学传输单元4分别设置在萨格奈克环的两个输入端与PPLN波导单元6之间。

根据本实用新型，第一（第二）光学传输单元3（4）可以具有第一端口、第二端口和第三端口，且被设置成由第一端口输入的光经第二端口输出，由第二端口输入的光经第三端口输出。例如，第一水平偏振光分量输入第一光学传输单元3的第一端口并经其第二端口输出；第一垂直偏振光分量输入第二光学传输单元4的第一端口并经其第二端口输出。

偏振控制单元5可以设置在第一光学传输单元3或第二光学传输单元4与PPLN波导单元6之间，用于使光偏振方向发生90度旋转。例如，在图1中，偏振控制单元5设置在第一光学传输单元3与PPLN波导单元6之间，以使经第一光学传输单元3的第二端口输出的第一泵浦光分量的偏振方向发生90度旋转，从而变为垂直偏振光。作为示例，偏振控制单元5可以为偏振控制器、半波片、法拉第旋转片或者旋光元件。

PPLN波导单元6接收分别沿顺时针方向和逆时针方向进入的泵浦光分量，并且基 于该泵浦光分量的泵浦在0型参量下转换效应（）下生成时间关联的光子 对，其包括信号光子和闲频光子。例如，在图1中，在顺时针方向上，PPLN波导单元6接收为垂 直偏振光的第一泵浦光分量，并由此生成第一光子对，其具有垂直的偏振方向；在逆时针方 向上，PPLN波导单元6接收为垂直偏振光的第二泵浦光分量，并由此生成第二光子对，其同 样具有垂直的偏振方向。

第一光子对和第二光子对分别继续沿顺时针和逆时针方向在环路中传播。其中，第二光子对经过偏振控制单元5并可以在其作用下偏振方向发生90度旋转。例如在图1中，第二光子对在经过偏振控制单元5后，将具有水平的偏振方向。

第二光子对和第一光子对分别输入第一光学传输单元3和第二光学传输单元4的第二端口，并经由相应的第三端口输出。本领域技术人员容易理解，此时，双光子获取模块将会输出两路光子对，因此，借助本实用新型的两路双光子获取装置，其示出的两路光子对彼此之间可以实现具有相互垂直的偏振方向。

可选地，可以在双光子获取模块中设置相位调制单元（未示出），用于调节萨格奈克环中顺时针光路和逆时针光路之间的相位差。作为优选示例，相位调制单元可以包括移相器。

可选地，还可以在双光子获取模块中设置温控单元（未示出），用于对非线性晶体波导进行温度控制，从而改变参量下转换产生的关联光子对的波长。

基于图1所示的两路双光子源获取装置的原理可知，在本实用新型中，通过采用非线性晶体波导（例如PPLN波导）的0型参量下转换性质，可以产生偏振方向相同的双光子，提高波导的下转换效率；同时借助Sagnac环结构，可以分别沿顺时针和逆时针方向两次泵浦同一PPLN波导，从而产生两路双光子，利用较少器件实现了双光子源从单路到两路的扩展，且每一路产生的双光子源均具有等时性和偏振一致性；并且，泵浦光与双光子波长相差较大，有利于降低波分复用器等器件的设计和加工难度，可以有效降低生产成本。此外，由于0型PPLN波导易于与光纤耦合，容易做成全光纤结构（例如采用保偏光纤或单模光纤实现各模块和单元之间的光路连接），更利于系统稳定；同时，还避免了现有技术中采用双色分光滤光片和多色偏振分束器引起的加工难度，有利于系统的小型化和稳定性。而且，借助本实用新型产生的光子具有较宽的谱宽，适合用于提供宽谱光子源。

可选地，两路双光子源获取装置还可以包括光隔离模块7，其例如设置在光源模块1和偏振分束模块2之间，用于防止泵浦光返回光源模块1，导致对光源模块1的损伤。作为示例，光隔离模块7可以包括光隔离器，例如图2所示那样。

可选地，例如图2所示，两路双光子源获取装置还可以包括偏振控制模块8，其例如设置在光源模块1和偏振分束模块2之间，用于调节泵浦光的极化方向。优选地，偏振控制模块8可以将泵浦光的偏振方向调节为45度或者-45度，从而使产生的两路双光子性能达到最佳。作为示例，偏振控制模块8可以包括偏振控制器、半波片、法拉第旋转片或者旋光元件。

可选地，第一（第二）光学传输单元3（4）可以包括波分复用器，例如图1所示那样。在本实用新型中，泵浦光和光子对的波长具有较大差异，因此，波分复用器的设计及加工难度将能够得到极大改善。

可选地，第一（第二）光学传输单元3（4）可以包括分束器BS（未示出）或者环形器（如图3所示）。优选地，还可以在两路双光子源获取装置中设置滤波单元，其用于对双光子获取模块输出的光子对进行滤波，从而滤除诸如杂散光。例如图3所示，滤波单元9（10）可以设置成连接环形器4（3）的第三端口。作为优选示例，滤波单元可以包括光栅和/或滤波片。

可选地，由于本实用新型产生的光子对具有较宽的谱宽，因此，可以在两路双光子源获取装置中设置光子对分离模块，用于将双光子获取模块输出的光子对中的信号光子和闲频光子分离，例如图4所示。作为优选示例，光子对分离模块可以包括波分复用器或者密集波分复用器。

作为一种实施方式，光子对分离模块可以包括第一分离单元和第二分离单元，其分别接收双光子获取模块输出的两路光子对，即连接第一光学传输单元3和第二光学传输单元4的光子对输出端口（例如第三端口），从而在第一分离单元的两个输出端口9和10出射偏振方向相同、波长（大致）相同的一对光子，以及在第二分离单元的两个输出端口11和12出射偏振方向相同、波长（大致）相同的一对光子，如图4所示那样。

作为另一种实施方式，光子对分离模块可以包括一个分离单元，其可以分别经由具有不同光程的光路接收双光子获取模块输出的两路光子对，即连接第一光学传输单元3和第二光学传输单元4的光子对输出端口（例如第三端口），以分时的方式实现对两路光子对的分离操作，如图5所示那样。

优选地，两路双光子源获取装置还可以包括可调谐滤波模块，用于对分离出的光子的波长进行调谐。有利地，可调谐滤波模块与双光子获取模块中的温控单元的结合可以方便地对产生的纠缠光子对的波长进行一定范围的调节，其尤其适合用于产生通信波段的纠缠光子对。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，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，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，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，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (18)

1.一种两路双光子源获取装置，其包括光源模块(1)、偏振分束模块(2)及双光子获取模块，其中，

所述光源模块(1)产生泵浦光；

所述偏振分束模块(2)被设置成将所述泵浦光分成水平偏振的第一泵浦光分量和垂直偏振的第二泵浦光分量；

所述双光子获取模块包括非线性晶体波导单元(6)，且被设置成：接收所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量以使其在同一环路中相向传播；并且调节所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量中的至少一个的偏振方向，以使所述第一泵浦光分量和所述第二泵浦光分量作为e光输入所述非线性晶体波导单元(6)中的非线性晶体波导，从而分别基于0型参量下转换效应泵浦生成第一光子对和第二光子对。

2.如权利要求1所述的获取装置，其中，所述双光子获取模块还包括萨格奈克环、第一光学传输单元(3)、第二光学传输单元(4)和偏振控制单元(5)；所述萨格奈克环的两个输入端分别连接所述偏振分束模块(2)的两个输出端，并且所述第一光学传输单元(3)、所述第二光学传输单元(4)、所述偏振控制单元(5)和所述非线性晶体波导单元(6)设置在所述萨格奈克环上。

3.如权利要求1所述的获取装置，其中，所述非线性晶体波导单元(6)中的所述非线性晶体波导为PPLN波导。

4.如权利要求2所述的获取装置，其中，所述第一和第二光学传输单元(3，4)具有第一端口、第二端口和第三端口，且被设置成由所述第一端口输入的光经由所述第二端口输出，由所述第二端口输入的光经由所述第三端口输出；以及

所述第一光学传输单元(3)和所述第二光学传输单元(4)分别设置在所述萨格奈克环的所述两个输入端与所述非线性晶体波导单元(6)之间，且所述第一端口靠近所述输入端，所述第二端口靠近所述非线性晶体波导单元(6)。

5.如权利要求2所述的获取装置，其中，所述偏振控制单元(5)设置在所述第一光学传输单元(3)或所述第二光学传输单元(4)与所述非线性晶体波导单元(6)之间，用于使光偏振方向发生90度旋转。

6.如权利要求5所述的获取装置，其中，所述偏振控制单元(5)为偏振控制器、半波片、法拉第旋转片或旋光元件。

7.如权利要求2所述的获取装置，其中，所述双光子获取模块还包括设于所述萨格奈克环中的相位调制单元；并且/或者，所述双光子获取模块还包括温控单元，用于对所述非线性晶体波导单元(6)进行温度控制。

8.如权利要求1所述的获取装置，其还包括位于所述光源模块(1)和所述偏振分束模块(2)之间的光隔离模块(7)和/或偏振控制模块(8)。

9.如权利要求8所述的获取装置，其中，所述偏振控制模块(8)被设置用于将所述泵浦光的偏振方向调节为45度或-45度。

10.如权利要求2所述的获取装置，其中，所述第一和/或第二光学传输单元包括波分复用器、分束器和环形器中的一种。

11.如权利要求1或10所述的获取装置，其还包括滤波单元，用于对所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和/或第二光子对进行滤波。

12.如权利要求1所述的获取装置，其还包括光子对分离模块，用于将所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和/或所述第二光子对中的信号光子和闲频光子分离。

13.如权利要求12所述的获取装置，其中，所述光子对分离模块包括第一分离单元和第二分离单元，其分别用于接收所述第一光子对和所述第二光子对；或者，所述光子对分离模块包括单个分离单元，其分别经由具有不同光程的光路接收由所述双光子获取模块输出的所述第一光子对和所述第二光子对。

14.如权利要求13所述的获取装置，其中，所述分离单元包括波分复用器或密集波分复用器。

15.如权利要求12-14中任一项所述的获取装置，其还包括可调谐滤波模块，用于对所述信号光子和所述闲频光子的波长进行调谐。

16.如权利要求11所述的获取装置，其为全光纤结构。

17.如权利要求15所述的获取装置，其为全光纤结构。

18.如权利要求1-10、12-14中任一项所述的获取装置，其为全光纤结构。