CN212846292U - 一种高效的纠缠光子对产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高效的纠缠光子对产生装置,其包括泵浦光发生装置，周期极化铌酸锂薄膜波导，使信号光子朝第一单光子探测器传输的第一二向色镜，允许泵浦光通过进入周期极化铌酸锂薄膜波导并使空闲光子朝第二单光子探测器传输的第二二向色镜，以及第一和第二单光子探测器。借助合理设计的周期极化铌酸锂薄膜波导结构，可以使泵浦光发生反向传输自发参量下转换过程，从而能够以高的产生效率提供窄带宽的纠缠光子对。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种高效的纠缠光子对产生装置。
背景技术
纠缠光源是各种基础量子光学实验的基本工具，比如贝尔不等式测量、量子隐形传态、纠缠交换以及其他应用领域的研究如量子密码和量子精密测量等。产生纠缠光子对的方法主要包括：①原子系统中的四波混频过程；②基于三阶非线性光学现象，即光纤中的四波混频过程；③二阶非线性晶体中的光学参量下转换过程。
目前最常用的产生纠缠光子对的方法是基于非线性光学晶体的二阶自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down Conversion， SPDC)过程：一个高频率的泵浦光子以某一概率自发地分裂成一对低频率的下转换光子，分别称作信号光子和空闲光子，该过程需要满足能量守恒和动量守恒条件，即光子对的总能量与总动量等于泵浦光子的能量与动量。
通常情况下，体块晶体的参量下转换效率都比较低，即纠缠光子对的产生效率较低。通过利用准相位匹配技术，对非线性光学晶体如铌酸锂(LN)、磷酸钛氧钾(KTP)等进行周期极化，同时结合光波导技术，可以将纠缠光子对的产生效率提高约4个数量级。此外，准相位匹配技术还具有光子频率可调谐以及允许光子对共线传输等优势；而光波导结构则保证了泵浦光子、信号光子和空闲光子之间严格的共线传输，同时由于光波导结构较强的光学限域效应，提高了纠缠光子对的收集效率，降低了空间相关性，而且基于波导器件的纠缠光源还可以集成到光纤中，大大减小了光源的体积。
基于周期极化铌酸锂(PPLN)和周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP) 波导的自发参量下转换过程产生纠缠光子对是目前最简单、高效的方法，然而由于准相位匹配技术和光波导技术而引入的问题是需要在空间上分离严格共线同向传输的纠缠光子对。当光子对的频率差异很大时，最简单的方法是采用二向色镜进行光子对分离，通过这种方法可以设计与制备频率非简并的偏振纠缠光源。然而，当需要产生频率简并的偏振纠缠光子对时，则需要利用分束器分离严格共线传输的正交偏振光子对，然后进行双重符合测量作为后置选择，这种方法将会造成50％的损耗；还有一种不需要后置选择过程的方法是采用干涉仪将两对正交偏振的光子组合在一起，但是这种干涉仪要求严格的相位控制和稳定性。
此外，这种基于自发参量下转换过程产生纠缠光子对的装置还存在带宽较宽的问题，通常在几个THz或者数百个GHz量级，这主要是由相位匹配条件决定的。这种宽带宽的纠缠光源不适用于某些需要窄带光子的应用，例如长距离光纤量子通信(几个GHz)、光子与原子和分子的强相互作用(MHz至几个GHz)等。
采用窄带滤波器进行无源滤波是获得窄带宽纠缠光源最直接的方法(例如参见201510160966.6号中国专利申请)，但是这种方法同时也会大幅度降低光子对的产生效率；通过谐振腔增强的自发参量下转换过程也可以获得高亮度、窄带宽的光子对，但是由于谐振腔的增益带宽较宽，导致多个谐振腔模式同时增益，因此需要额外的光学滤波来获得单模输出。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型提出一种高效的纠缠光子对产生装置，其中利用合理设计的周期极化铌酸锂薄膜波导结构，可以使泵浦光发生反向传输自发参量下转换过程，从而能够以高的产生效率提供窄带宽的偏振纠缠光子对。与现有技术中基于同向传输自发参量下转换过程实现的纠缠光子对产生装置相比，本实用新型中反向传输自发参量下转换过程特有的相位匹配条件可以使得反向传输光子对的带宽窄约1个数量级，且易于空间分离。
具体而言，本实用新型的高效的纠缠光子对产生装置可以包括用于提供泵浦光的泵浦光发生装置，其特征在于还包括：
周期极化铌酸锂薄膜波导，其被配置成接收所述泵浦光，并允许所述泵浦光发生反向传输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括沿相反方向传输的信号光子和空闲光子；
位于所述周期极化铌酸锂薄膜波导的输出侧的第一二向色镜，其被配置成使所述信号光子朝向第一单光子探测器传输；
位于所述周期极化铌酸锂薄膜波导的输入侧的第二二向色镜，其被配置成允许所述泵浦光通过以进入所述周期极化铌酸锂薄膜波导，以及使所述空闲光子朝向第二单光子探测器传输。
进一步地，所述周期极化铌酸锂薄膜波导为脊型波导。
进一步地，所述周期极化铌酸锂薄膜波导具有小于1μm的一阶准相位匹配极化周期。优选地，所述泵浦光的波长为780nm。
进一步地，该纠缠光子对产生装置还包括带通滤波器，所述带通滤波器设置在所述第一二向色镜与所述第一单光子探测器之间和/或所述第二二向色镜与所述第二单光子探测器之间。
进一步地，所述泵浦光发生装置包括单频连续或者脉冲的激光器。
进一步地，所述泵浦光发生装置还包括可调光衰减器和偏振控制器。
进一步地，该纠缠光子对产生装置还包括符合计数器，所述符合计数器被配置成接收所述单光子探测器的探测结果，并根据所述探测结果计算符合计数。
进一步地，所述周期极化铌酸锂薄膜波导包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构、中间的SiO2绝缘层以及最下层的衬底，所述周期极化铌酸锂薄膜波导结构具有在经周期极化的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导结构。
进一步地，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅。并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有0.5-10μm的厚度，所述脊型波导具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，所述SiO2绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。
附图说明
下面结合附图对本实用新型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实用新型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实用新型的一些实施例，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中的(a)-(c)部分示出了反向传输自发参量下转换过程的原理；
图2示出了根据本实用新型的高效纠缠光子对产生装置的示例性实施例；
图3示出了用于本实用新型的周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构示意图。
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的(a)-(c)部分示出了反向传输自发参量下转换过程的基本原理。从图1的(a)部分中可以看到，在反向传输自发参量下转换过程中，泵浦光子经下转换过程产生的信号光子和空闲光子沿相反方向共线传输。图1的(b)和(c)部分示出，该反向传输自发参量下转换过程满足能量守恒与动量守恒条件。根据动量守恒条件可知，反向传输过程中信号光子和空闲光子的动量相互抵消，泵浦光子的动量完全通过准相位匹配补偿，这种反向传输过程的相位匹配条件会使自发参量下转换过程的转换带宽变得非常窄，即产生的光子对的带宽变得非常窄，比基于同向传输过程产生的光子对的带宽窄约1个数量级，两者的比值是(vs -1-vi -1)/(vs -1+vi -1)，其中vs和vi分别表示信号光和空闲光的群速度。
进一步发现，由于在反向传输自发参量下转换过程中，泵浦光子的动量需要完全通过准相位匹配补偿，因此，为实现反向传输自发参量下转换过程，一阶准相位匹配光栅的极化周期需要特别小，其通常应当小于1μm。
然而，传统体块晶体材料难以实现小于1μm的极化周期。因此，本实用新型中首次提出利用铌酸锂薄膜材料形成周期极化铌酸锂薄膜波导结构，其中通过减小反转畴的纵向反转深度，抑制反转畴的过度横向扩张，可以实现一阶准相位匹配极化周期小于1μm的均匀周期极化。
图2示出了根据本实用新型的高效纠缠光子对产生装置的一个示例。
如图2所示，本实用新型的高效纠缠光子对产生装置可以包括单频连续或脉冲激光器11，其波长例如可以为780nm。
该纠缠光子对产生装置还可以包括光强调节单元21和偏振控制单元22。
光强调节单元21用于调节泵浦激光信号的功率。作为示例，光强调节单元21可以包括可调光衰减器(VATT)。
偏振控制单元22用于调节泵浦激光信号的偏振态，以使其与 PPLN波导的II型参量下转换过程形成匹配。作为示例，偏振控制单元22可以包括偏振控制器(PC)。
继续参见图2，本实用新型的高效纠缠光子对产生装置内还设有纠缠光子对发生模块3，用于允许输入其内以作为泵浦光的激光信号发生反向传输自发参量下转换过程，以产生沿相反方向传输的信号光子和空闲光子。
在本实用新型中，纠缠光子对发生模块3包括基于周期极化铌酸锂薄膜的脊型波导，其可以例如具有小于1μm的一阶准相位匹配极化周期。周期极化铌酸锂薄膜波导通常可以通过高精密切割技术、干法刻蚀技术、金属掩模辅助的研磨抛光技术等来获得。
当依次经过衰减和偏振控制处理，波长为780nm的泵浦光(激光信号)进入其极化周期小于1μm的周期极化铌酸锂薄膜波导3时，在波导内发生II型参量下转换过程，进而产生波长同为1560nm且偏振态相互正交的纠缠光子对，其中信号光子与空闲光子的传输方向相反，分别从波导的输出侧和输入侧离开波导。
该高效纠缠光子对产生装置还可以包括光子探测模块4，用于对沿相反方向传播的信号光子和空闲光子分别进行探测。
如图2所示，光子探测模块4可以包括设置于波导输出侧的第一光学元件41和设置于波导输入侧的第二光学元件42。
第一光学元件41可以包括第一二向色镜，用于将信号光子朝向第一探测单元43传输，以便对信号光子进行探测。
第二光学元件42可以包括第二二向色镜，用于将空闲光子朝向第二探测单元44传输，以便对空闲光子进行探测。
在本实用新型中，探测单元43/44可以为单光子探测器Ds/Di。
优选地，还可以在光子探测模块4中设置滤波单元45/46，用于对信号光子和/或空闲光子进行滤波。作为示例，滤波单元可以为带通滤波器(BP)。
为验证光子对的纠缠特性，该高效纠缠光子对产生装置还可以包括符合计数模块5，用于根据光子探测模块4的探测结果对信号光子和空闲光子进行符合判决，输出符合脉冲，并统计单元时间内符合脉冲数，得到符合计数。如图2所示，符合计数模块5可以为符合计数器。
下面将结合图2所示的具体示例来进一步说明本实用新型的纠缠光子对产生装置的工作原理。
激光器11输出波长780nm的连续或脉冲激光信号，激光信号依次经过可调光衰减器21和偏振控制器22作用后，通过第二二向色镜42作为泵浦光被耦合进入到基于周期极化铌酸锂(PPLN)薄膜的脊型波导3中。
波长为780nm的泵浦光在PPLN波导中做II型参量下转换，产生波长1560nm、偏振态相互正交的纠缠光子对，其中信号光子与空闲光子沿相反的方向离开PPLN波导。
设置于PPLN波导输入侧的第二二向色镜42使空闲光子朝向第二单光子探测器44传输，设置于PPLN波导输出侧的第一二向色镜 41使信号光子朝向第一单光子探测器43传输，从而轻易地实现信号光子和空闲光子的分离。
信号光子和空闲光子经带通滤波器(BP)滤波后，分别进入单光子探测器(Ds和Di)进行探测。最后，由符合计数器接收单光子探测器输出的电信号，测量符合计数验证光子对的纠缠特性。
图3示出了一种用于本实用新型的纠缠光子对产生装置中的周期极化铌酸锂薄膜波导的典型结构示意图。
如图3所示，该铌酸锂单晶薄膜波导可以包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构，其具有通过干法刻蚀、飞秒激光直写或精密金钢石刀切割等技术在经周期极化的铌酸锂单晶薄膜上形成的脊型波导结构。
周期极化铌酸锂薄膜波导结构的下层为SiO2绝缘层；SiO2绝缘层形成于衬底上。在本实用新型中，该衬底可以是铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅等同类衬底。
在本实用新型的优选示例中，铌酸锂薄膜可以具有0.5-10μm的厚度，脊型波导可以具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，SiO2绝缘层可以具有≥1μm的厚度，最下层的衬底可以具有≥100μm的厚度。
在本实用新型中，通过合理设计周期极化铌酸锂薄膜波导，使得泵浦光在波导内发生反向传输自发参量下转换过程，从而输出传输方向相反的信号光子和空闲光子，这使得在空间上分离严格共线传输纠缠光子对变得简单，尤其是可以借助更为简单的光学结构实现频率简并的偏振纠缠光子对的分离，例如可以减少因设置分束器导致的产生效率损失；同时，该偏振纠缠光子对具有相对窄的带宽。此外，与传统的质子交换波导以及钛扩散波导相比，脊型波导结构的核壳折射率差异增大，光学限域效应增强，非线性转化效率提高，可以有效提高纠缠光子对的产生效率。
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 (10)
1.一种高效的纠缠光子对产生装置，其包括用于提供泵浦光的泵浦光发生装置，其特征在于还包括：
周期极化铌酸锂薄膜波导，其被配置成接收所述泵浦光，并允许所述泵浦光发生反向传输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括沿相反方向传输的信号光子和空闲光子；
位于所述周期极化铌酸锂薄膜波导的输出侧的第一二向色镜，其被配置成使所述信号光子朝向第一单光子探测器传输；
位于所述周期极化铌酸锂薄膜波导的输入侧的第二二向色镜，其被配置成允许所述泵浦光通过以进入所述周期极化铌酸锂薄膜波导，以及使所述空闲光子朝向第二单光子探测器传输。
2.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述周期极化铌酸锂薄膜波导为脊型波导。
3.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述周期极化铌酸锂薄膜波导具有小于1μm的一阶准相位匹配极化周期。
4.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述泵浦光的波长为780nm。
5.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于还包括带通滤波器，所述带通滤波器设置在所述第一二向色镜与所述第一单光子探测器之间和/或所述第二二向色镜与所述第二单光子探测器之间。
6.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述泵浦光发生装置包括单频连续或者脉冲的激光器。
7.根据权利要求6所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述泵浦光发生装置还包括可调光衰减器和偏振控制器。
8.根据权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于还包括符合计数器，所述符合计数器被配置成接收所述单光子探测器的探测结果，并根据所述探测结果计算符合计数。
9.如权利要求1所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述周期极化铌酸锂薄膜波导包括最上层的周期极化铌酸锂薄膜波导结构、中间的SiO2绝缘层以及最下层的衬底，所述周期极化铌酸锂薄膜波导结构具有在经周期极化的铌酸锂薄膜上形成的脊型波导结构。
10.如权利要求9所述的高效的纠缠光子对产生装置，其特征在于，所述衬底为铌酸锂、钽酸锂、氮化硅、碳化硅或者单晶硅；并且/或者，所述铌酸锂薄膜具有0.5-10μm的厚度，所述脊型波导具有0.4-9μm高度和0.1-1μm底座厚度，所述SiO2绝缘层具有≥1μm的厚度，所述衬底具有≥100μm的厚度。
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|---|---|---|---|---|
| CN113358218A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-09-07 | 西安交通大学 | 基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法 |
| CN114244512A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-03-25 | 济南量子技术研究院 | 双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法 |
| CN114244512B (zh) * | 2021-12-30 | 2024-06-04 | 济南量子技术研究院 | 双色偏振纠缠源、地空密钥共享系统及方法 |
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2020
- 2020-08-06 CN CN202021619975.XU patent/CN212846292U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113358218A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-09-07 | 西安交通大学 | 基于周期极化铌酸锂波导红外双光子符合测量装置及方法 |
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