RU2708538C1 - Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing - Google Patents
Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708538C1 RU2708538C1 RU2019117028A RU2019117028A RU2708538C1 RU 2708538 C1 RU2708538 C1 RU 2708538C1 RU 2019117028 A RU2019117028 A RU 2019117028A RU 2019117028 A RU2019117028 A RU 2019117028A RU 2708538 C1 RU2708538 C1 RU 2708538C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photon
- wavelength
- radiation
- electric field
- counter
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 64
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 58
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 34
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 12
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 11
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 2
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 2
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 28
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 16
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004836 empirical method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- WYOHGPUPVHHUGO-UHFFFAOYSA-K potassium;oxygen(2-);titanium(4+);phosphate Chemical compound [O-2].[K+].[Ti+4].[O-]P([O-])([O-])=O WYOHGPUPVHHUGO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
- H01S3/10013—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by controlling the temperature of the active medium
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к области нелинейной оптики, квантовой электроники, а именно к способу и устройству стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, и может быть использовано в различных областях, в том числе спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине и др., в устройствах для управления спектром лазерного излучения.The technical solution relates to the field of nonlinear optics, quantum electronics, and in particular to a method and device for stabilizing and tuning wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering, and can be used in various fields, including spectroscopy, fiber optic communication, medicine, etc. ., in devices for controlling the spectrum of laser radiation.
Управление параметрами излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. Актуальной задачей является управление спектром двухфотонного излучения.Controlling radiation parameters is one of the main tasks of quantum and nonlinear optics. These parameters include polarization, angular and spectral distributions, correlation and temporal properties, etc. An urgent task is to control the spectrum of two-photon radiation.
В способах управления частотой генерации для перестройки частоты можно менять температуру нелинейной среды, что связано с тем, что при изменении температуры значения волновых векторов несколько изменяются; условия фазового синхронизма зависит от температуры. Можно также использовать изменение оптической индикатрисы кристалла под воздействием внешнего электрического поля (электрооптическая перестройка частоты).In methods of controlling the generation frequency for frequency tuning, the temperature of a nonlinear medium can be changed, which is due to the fact that when the temperature changes, the values of the wave vectors change slightly; phase matching conditions are temperature dependent. You can also use the change in the optical indicatrix of the crystal under the influence of an external electric field (electro-optical frequency tuning).
Описано значительное количество технических решений, и способов, и устройств, основанных на перестройке частоты излучения изменением температуры нелинейной среды. Например, в [RU 2173013 С2, 27.08.2001] описывается перестраиваемый лазер, включающий генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой и параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно-перестраиваемым синхронизмом, в котором широкополосная усиливающая среда и параметрический усилитель света установлены в одном оптическом резонаторе. Данный метод не связан с генерированием однофотонных состояний и обладает достаточной инертностью по времени.A significant number of technical solutions are described, both methods and devices based on tuning the radiation frequency by changing the temperature of a nonlinear medium. For example, in [RU 2173013 C2, 08.27.2001] a tunable laser is described, including a pump generator, an optical resonator with a broadband amplifying medium and a parametric light amplifier based on a nonlinear crystal with temperature-tunable synchronism, in which a broadband amplifying medium and a parametric amplifier lights are mounted in one optical resonator. This method is not associated with the generation of single-photon states and has sufficient time inertness.
В [RU 164304 U1, 27.08.2016] раскрыт перестраиваемый источник лазерного излучения, который содержит генератор накачки, оптически связанный с температурно-перестраиваемым нелинейным кристаллом, секционированную систему теплового воздействия на нелинейный кристалл, состоящую из не менее двух нагревательных элементов, регулярно расположенных вдоль боковой поверхности нелинейного кристалла и отделенных друг от друга термоизолирующими перегородками, и датчиков температуры, установленных в соответствующих секциях. Устройство также включает блок управления, причем нагревательные элементы подключены к выходам блока управления, входы которого соединены с датчиками температуры. Блок управления содержит управляемые источники электропитания, выходы которых являются выходами блока, и программируемый микропроцессор с возможностью информационного обмена с внешними устройствами ввода программы и обработки данных, при этом информационные входы программируемого микропроцессора являются входами блока, а управляющие входы источников электропитания подключены к выходам программируемого микропроцессора. Устройство содержит радиатор, установленный с торца нелинейного кристалла и связанный с системой подачи и отвода хладоагента. Технический результат указанного устройства заключается в расширении возможностей при регулировке формы частотного спектра излучения в зависимости от пространственного профиля изменения температуры на соответствующих участках нелинейного кристалла. Из этого же источника известен метод температурного контроля спектра генерируемых состояний. За счет использования нескольких нагревательных элементов, расположенных вдоль всей нелинейной среды происходит контроль формы спектра и его ширины. Недостатком данного метода является инерционность перестройки температуры нелинейной среды: согласование и выравнивание температуры разных нагревательных элементов требует долгого времени.In [RU 164304 U1, 08.27.2016] a tunable laser radiation source is disclosed, which comprises a pump generator optically coupled to a temperature-tunable non-linear crystal, a partitioned system of thermal action on a non-linear crystal, consisting of at least two heating elements regularly located along the side surfaces of a nonlinear crystal and thermally insulating partitions separated from each other, and temperature sensors installed in the corresponding sections. The device also includes a control unit, and the heating elements are connected to the outputs of the control unit, the inputs of which are connected to temperature sensors. The control unit contains controlled power supplies, the outputs of which are the outputs of the unit, and a programmable microprocessor with the possibility of information exchange with external input devices of the program and data processing, while the information inputs of the programmable microprocessor are the inputs of the unit, and the control inputs of the power supplies are connected to the outputs of the programmable microprocessor. The device comprises a radiator mounted at the end of the nonlinear crystal and connected to the refrigerant supply and removal system. The technical result of this device is to expand the capabilities when adjusting the shape of the frequency spectrum of the radiation depending on the spatial profile of the temperature change in the corresponding sections of the nonlinear crystal. The method of temperature control of the spectrum of generated states is known from the same source. Through the use of several heating elements located along the entire non-linear medium, the shape of the spectrum and its width are controlled. The disadvantage of this method is the inertia of temperature adjustment of a nonlinear medium: matching and equalizing the temperature of different heating elements takes a long time.
Отличительными особенностями спонтанного параметрического рассеяния являются широкий непрерывный спектр, не связанный с собственными частотами среды, в которой происходит процесс рассеяния, а также двухфотонный характер излучения. Данные особенности позволяют генерировать различные неклассические состояния света, в частности, однофотонные состояния, которые широко используются как носители информации в оптических квантовых компьютерах, устройствах квантовой криптографии и квантовой метрологии [Metrology of single-photon sources and detectors: a review / C.J. Chunnilall [et al.] // Optical Engineering. - 2014. - Vol. 53, Iss. 8. - P. 081910; Takeuchi, S. Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and applications / S. Takeuchi // Japanese Journal of Applied Physics. - 2014. - Vol. 53, №.3. - P. 030101].Distinctive features of spontaneous parametric scattering are a wide continuous spectrum that is not related to the natural frequencies of the medium in which the scattering process occurs, as well as the two-photon nature of the radiation. These features make it possible to generate various non-classical states of light, in particular, single-photon states that are widely used as information carriers in optical quantum computers, quantum cryptography devices, and quantum metrology [Metrology of single-photon sources and detectors: a review / C.J. Chunnilall [et al.] // Optical Engineering. - 2014 .-- Vol. 53, Iss. 8. - P. 081910; Takeuchi, S. Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and applications / S. Takeuchi // Japanese Journal of Applied Physics. - 2014 .-- Vol. 53, No. 3. - P. 030101].
В случаях, когда для реализации эффективного взаимодействия генерируемых однофотонных импульсов с атомами требуется точная настройка по длине волны, однофотонным состояниям необходимо взаимодействовать с резонансными системами атомов, существенными становятся внешние условия: температурные колебания, стабильность лазера накачки и т.п. В стандартной ситуации для стабилизации и перестройки спектра параметрического рассеяния света нелинейную среду помещают в термостабильную печь. Однако для ряда задач данная методика является медленной. Изменение температуры может достигать порядка нескольких десятков секунд. В связи с этим актуальным является вопрос об альтернативных методах стабилизации однофотонных источников на основе спонтанного параметрического рассеяния.In cases when, for the realization of the effective interaction of the generated single-photon pulses with atoms, fine-tuning according to the wavelength is required, single-photon states need to interact with resonant systems of atoms, external conditions become important: temperature fluctuations, stability of the pump laser, etc. In a standard situation, for the stabilization and tuning of the spectrum of parametric light scattering, a nonlinear medium is placed in a thermostable furnace. However, for a number of tasks, this technique is slow. The temperature change can reach the order of several tens of seconds. In this regard, the issue of alternative methods for stabilizing single-photon sources based on spontaneous parametric scattering is relevant.
В работе [US 2009028340 А1, 29.01.2009] описаны система источника фотона и метод перестраиваемого источника неклассических состояний света на основе электрооптического метода и с использованием термостабилизации нелинейной среды, в которой происходит генерация. Заявленная система источника фотонов содержит источник накачки, оптически связанный с нелинейной средой, в качестве которого используют кристалл ниобата лития (PPLN), приспособленный для выполнения спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) проходящего через кристалл излучения от источника накачки. На края нелинейной среды нанесены брэгговские зеркала, которые пропускают только определенную длину волны, для формирования резонатора Фабри-Перо. К концам кристалла, на брэгговские зеркала подсоединены электроды, приспособленные для обеспечения регулируемого приложенного электрического поля, чтобы регулировать резонансную длину волны резонатора, образованного брэгговскими зеркалами. PPLN может преобразовывать излучение от источника накачки через SPDC, чтобы генерировать выходные фотоны, имеющие длину волны в два раза больше длины волны накачки. Система включает элемент управления температурой - датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры PPLN и выдачи сигнала температуры для управления температурой PPLN. Система генерирует выходные фотоны, которые имеют длину волны в С-диапазоне телекоммуникаций, в синхронном режиме. Заявленный способ генерации фотонов с узким выходным спектром включает заведение излучения источника накачки в резонатор Фабри-Перо, сформированный из PPLN, имеющий электрооптически регулируемые брэгговские зеркала на каждом конце; выполнение SPDC в PPLN для генерации перепутанных выходных фотонов; регулирование резонансной длины волны резонатора происходит путем приложения электрического поля к каждому из концов PPLN (брэговским зеркалам на концах) таким образом, чтобы запутанные выходные фотоны имели желаемую длину волны на выходе и спектральную ширину полосы. Для выполнения данного метода нелинейный кристалл сначала нагревают до температуры, при которой максимум интенсивности генерируемых пар фотонов к максимуму пропускания резонатора, образованного бреговскими зеркалами на концах кристалла. К бреговским зеркалам прикладывают однородное электрическое поле, чтобы с помощью электрооптического метода изменять условия бреговского отражения, следовательно, изменения длины волны пропускания источника. Недостатком данного метода: 1) вырезается спектральный диапазон, соответствующий пику пропускания брэговского резонатора, что может существо понизить скорость генерации неклассических состояний света, так как спектр генерации может быть на порядок шире, чем линия пропускания; 2) узкий диапазон перестройки длины волны генерируемых состояний, ограниченный бреговским резонатором и пиком его пропускания. Данное техническое решение относиться к устройствам генерации перепутанных пар фотонов, что не позволяется производить контроль спектральных характеристик источника непосредственных образом.[US 2009028340 A1, January 29, 2009] describes a photon source system and a tunable source method for non-classical light states based on the electro-optical method and using thermal stabilization of the nonlinear medium in which the generation takes place. The claimed photon source system contains a pump source that is optically coupled to a nonlinear medium, which is used as a lithium niobate crystal (PPLN), adapted to perform spontaneous parametric conversion with decreasing frequency (SPDC) of the radiation passing through the crystal from the pump source. Bragg mirrors are applied to the edges of the nonlinear medium, which transmit only a certain wavelength, to form a Fabry-Perot resonator. Electrodes adapted to provide an adjustable applied electric field to adjust the resonant wavelength of the resonator formed by the Bragg mirrors are connected to the ends of the crystal, to Bragg mirrors. PPLN can convert radiation from a pump source through SPDC to generate output photons having a wavelength twice the wavelength of the pump. The system includes a temperature control element - a temperature sensor, configured to measure the temperature of the PPLN and provide a temperature signal for controlling the temperature of the PPLN. The system generates output photons that have a wavelength in the C-band of telecommunications, in synchronous mode. The claimed method for generating photons with a narrow output spectrum includes introducing the radiation of a pump source into a Fabry-Perot resonator formed from PPLN, having electro-optically adjustable Bragg mirrors at each end; running SPDC in PPLN to generate entangled output photons; The resonant wavelength of the resonator is controlled by applying an electric field to each end of the PPLN (Bragg mirrors at the ends) so that the entangled output photons have the desired output wavelength and spectral bandwidth. To perform this method, the nonlinear crystal is first heated to a temperature at which the maximum intensity of the generated photon pairs to the maximum transmittance of the resonator formed by the Bragg mirrors at the ends of the crystal. A uniform electric field is applied to the Bragg mirrors in order to change the conditions of the Bragg reflection using the electro-optical method, and therefore, the change in the transmission wavelength of the source. The disadvantage of this method: 1) the spectral range corresponding to the transmittance peak of the Bragg resonator is cut out, which can reduce the generation rate of non-classical light states, since the generation spectrum can be an order of magnitude wider than the transmission line; 2) a narrow range of wavelength tuning of the generated states, limited by the Bragg resonator and the peak of its transmission. This technical solution relates to devices for generating entangled photon pairs, which is not allowed to directly control the spectral characteristics of the source.
Техническая задача изобретения - разработка способа стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния совмещением температурного и электрооптического метода, и создание простого по конструкции устройства для его реализации, расширяющих арсенал средств указанного назначения, и лишенных недостатков аналогов.The technical task of the invention is the development of a method for stabilizing and tuning the wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering by combining the temperature and electro-optical method, and creating a device that is simple in design for its implementation, expanding the arsenal of tools for this purpose, and without the disadvantages of analogues.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность широкой - до 100 нм - перестройки длины волны одного из фотонов, сгенерированных в процессе спонтанном параметрическом рассеянии, за счет температурной зависимости показателя преломления нелинейно-оптической среды, а более точной и быстрой подстройки до 2.5 нм - за счет влияния внешнего электрического поля.The technical result of the invention is the possibility of wide - up to 100 nm - wavelength tuning of one of the photons generated during spontaneous parametric scattering due to the temperature dependence of the refractive index of a nonlinear optical medium, and more accurate and quick adjustment to 2.5 nm due to the influence external electric field.
Задача решается, и технический результат достигается заявляемым новым способом стабилизации и перестройки длин волн однофотонных волновых пакетов и новым устройством для его реализации.The problem is solved, and the technical result is achieved by the claimed new method of stabilization and tuning of wavelengths of single-photon wave packets and a new device for its implementation.
Предлагаемый способ стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния света основан на том, что фотоны, рожденные при параметрическом рассеянии света, жестко связаны между собой условиями фазового синхронизма, поэтому измерение длины волны одного фотона дает четкое представление о фактической длине волны другого фотона.The proposed method of stabilization and tuning of wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering of light is based on the fact that photons generated by parametric scattering of light are rigidly interconnected by phase-matching conditions, therefore measuring the wavelength of one photon gives a clear idea of the actual wavelength of the other photon.
Заявляемый способ включает расчет математическими методами исходя из условий фазового синхронизма и с учетом целевой длины волны, необходимой потребителю, длину волны накачки и температуру, при которых будет происходить спонтанное параметрическое рассеяние света в нелинейной среде на целевой длине волны, а также угол направления излучения на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны, в детектор однофотонных состояний,The inventive method includes calculating by mathematical methods based on the phase-matching conditions and taking into account the target wavelength required by the consumer, the pump wavelength and temperature at which spontaneous parametric scattering of light in a nonlinear medium at the target wavelength, as well as the angle of radiation direction along the length, will occur waves of a photon conjugated to a photon at a target wavelength into a single-photon state detector,
термостатирование нелинейной среды при рассчитанной температуре,temperature control of a nonlinear medium at the calculated temperature,
генерирование излучения на длине волны накачки,generation of radiation at a pump wavelength,
генерирование спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде при рассчитанных параметрах,the generation of spontaneous parametric scattering of light in a nonlinear medium with the calculated parameters,
отсечение излучения на длине волны накачки,cutting off radiation at a pump wavelength,
разведение потоков излучения рожденных фотонов, на целевой длине волны - потребителю и на длине волны излучения фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны - для контроля стабильности однофотонных состояний,dilution of radiation fluxes of generated photons at the target wavelength to the consumer and at the wavelength of the radiation of the photon conjugated to the photon at the target wavelength to control the stability of single-photon states,
направление излучения на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны, в детектор однофотонных состояний,the direction of radiation at the wavelength of the photon conjugated with the photon at the target wavelength, in the detector of single-photon states,
детектирование однофотонного состояния по постоянной величине счета фотонов на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны,detecting a single-photon state by a constant photon count at a wavelength of a photon conjugate to a photon at a target wavelength,
корректирование длины волны спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде за счет приложения внешнего электрического поля к нелинейной среде в случае отклонения счета фотонов от постоянной величины,correction of the wavelength of spontaneous parametric scattering of light in a nonlinear medium due to the application of an external electric field to the nonlinear medium in the case of deviation of the photon count from a constant value,
или перестраивание длины волны спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде за счет температурного изменения значения показателя преломления в нелинейной среде в случае изменения значения длины волны более чем на |2,5| нм, или за счет приложения внешнего электрического поля к нелинейной среде в случае изменения значения длины волны не более чем на |2,5| нм.or rebuilding the wavelength of spontaneous parametric scattering of light in a nonlinear medium due to a temperature change in the value of the refractive index in a nonlinear medium in the case of a change in the value of the wavelength by more than | 2.5 | nm, or due to the application of an external electric field to a nonlinear medium in the event of a change in the value of the wavelength by no more than | 2.5 | nm
Для реализации созданного способа разработано устройство, схематично представленное на фиг. 1.To implement the created method, a device has been developed, schematically represented in FIG. one.
Устройство для стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, состоит из оптически связанных и последовательно расположенныхA device for stabilization and tuning of wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering, consists of optically coupled and sequentially arranged
нелинейно-оптического элемента, который помещен одновременно в термостатирующее устройство и в источник внешнего электрического поля;a nonlinear optical element, which is placed simultaneously in a thermostatic device and in a source of an external electric field;
системы отсекающих интерференционных фильтров, для уничтожения (отсечения) излучения накачки;a system of cut-off interference filters to destroy (cut off) the pump radiation;
устройства, разделяющего поток фотонов;a device that separates the photon flux;
дисперсионного элемента;dispersion element;
счетчика фотонов;photon counter;
а также блока управления устройством, к которому подключены термостатирующее устройство, источник внешнего электрического поля и счетчик фотонов;as well as a device control unit to which a thermostatic device, an external electric field source and a photon counter are connected;
причем дисперсионный элемент или счетчик фотонов имеют возможность изменения своего положения для подстройки расположения друг относительно друга таким образом, чтобы апертура счетчика фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента на заданной длине волны.moreover, the dispersion element or the photon counter have the ability to change their position to adjust the location relative to each other so that the aperture of the photon counter picks up radiation from the dispersion element at a given wavelength.
Как показано на фигуре 1, предлагаемое устройство состоит из нелинейно-оптического элемента 1, обладающего нелинейно-оптическими свойствами, помещенного одновременно в термостатирующее устройство 2 и в источник 3 внешнего электрического поля. Нелинейно-оптический элемент 1 оптически связан последовательно с системой 4 отсекающих интерференционных фильтров, устройством 5, разделяющим поток фотонов, дисперсионным элементом 6, счетчиком фотонов 7, блоком 8 управления. Термостатирующее устройство 2, источник 3 внешнего электрического поля, дисперсионный элемент 6 и счетчик фотонов 7 подключены к блоку 8 управления. Все элементы заявляемого устройства могут быть помещены в единый корпус, или блок 8 управления может быть выведен из корпуса в случае необходимости (для удобства).As shown in figure 1, the proposed device consists of a nonlinear
Нелинейно-оптический элемент 1 может представлять собой нелинейный кристалл, в том числе кристалл ниобата лития с примесью оксида магния (LiNbO3:MgO), титанил-фосфата калия (КТР) и другие квадратично нелинейные оптические среды, в который под действием однородного электрического поля вдоль определенной кристаллооптической оси происходит лишь растяжение или сжатие индикатрис показателей преломления.Nonlinear
Нелинейно-оптический элемент 1 размещен в источнике 3 внешнего электрического поля таким образом, что при наложении электрического поля оно будет приложено вдоль кристаллооптической оси элемента так, чтобы происходило лишь растяжение/сжатие индикатрис показателей преломления нелинейно-оптического элемента 1, во избежание негативных эффектов, таких, например, как изменение поляризации.The nonlinear
В качестве термостатирующего устройства 2 может быть использована, например, печь, обладающая высокой степенью стабилизации температуры с точностью не менее 0.01°С.As a
Источник 3 электрического поля служит для создания однородного электрического поля внутри нелинейно-оптического элемента 1. Причем данный источник 3 электрического поля должен обладать плавной регулировкой поля внутри нелинейно-оптического элемента во всем рабочем диапазоне. Кроме того источник 3 электрического поля должен создавать поле вдоль оси нелинейно-оптического элемента 1 таким образом, чтобы происходило лишь растяжение/сжатие индикатрис показателей преломления нелинейно-оптического элемента 1. В качестве источника однородного электрического поля может быть использован конденсатор, подключенный к источнику постоянного тока, который имеет прямую и обратную связь с блоком управления 8.
Система 4 отсекающих интерференционных фильтров служит для отсечения излучения накачки. В зависимости от максимальной мощности генератора накачки количество фильтров может быть разным, но не менее одного, который в этом случае должен обладать хорошей отражающей способностью на длине волны накачки и высокой степенью пропускания на длине волны генерируемых фотонов, близкой к 100%.A system of 4 cut-off interference filters serves to cut off the pump radiation. Depending on the maximum power of the pump generator, the number of filters can be different, but not less than one, which in this case should have good reflectivity at the pump wavelength and a high degree of transmission at the wavelength of the generated photons, close to 100%.
Устройство 5, разделяющее поток фотонов, служит для разведения потоков генерируемых фотонов - сигнального и холостого - на целевой и сопряженной с ней длинах волн. В качестве него может быть использовано, например, дихроичное зеркало, которое отражает, например, поток сигнальных фотонов и пропускает холостые фотоны.The
Назначением дисперсионного элемента 6 является распространение разных длин волн внутри/после него под разными углами. Примером дисперсионного элемента 6 может служить, в том числе дифракционная решетка.The purpose of the
Счетчик 7 фотонов - детектор однофотонных состояний - служит для приема излучения на определенной длине волны от дисперсионного элемента 6 и обладает функцией подсчета однофотонных состояний - количество фотонов в единицу времени. В качестве счетчика 7 фотонов может быть использованы лавинные фотодиоды или CCD-камера, работающие в режиме счета фотонов.The
Дисперсионный элемент 6 и счетчик 7 фотонов расположены друг относительно друга таким образом, чтобы апертура счетчика 7 фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента 6 на определенной (заданной) длине волны, один из этих элементов имеет возможность изменения своего положения для подстройки этого взаимодействия в случае необходимости. В одной из реализаций этого устройства дисперсионный элемент 6 выполнен с возможностью изменения угла падения излучения, отраженного от устройства 5, разделяющего поток фотонов, например, установлен в пьезоэлектрический двигатель вращения. В этом случае дисперсионный элемент 6 имеет связь с блоком 8 управления для регулирования угла падения излучения относительно устройства 5, разделяющего поток фотонов.The
В другом случае исполнения заявляемого устройства дисперсионный элемент 6 выполнен неподвижным и не имеющим связи с блоком 8 управления, а счетчик 7 фотонов в этом случае имеет способность движения по окружности, центром которой является дисперсионный элемент 6, а также двустороннюю (прямую и обратную) связь с блоком 8 управления. Например, счетчик 7 фотонов может быть установлен на электромеханический транслятор, выполненный в форме дуги, управляемый с блока 8 управления.In another case, the execution of the claimed device, the
Блок 8 управления представляет собой программируемый процессор или ЭВМ, в котором установлена плата управления с соответствующим программным обеспечением.The
Устройство по изобретению работает следующим образом.The device according to the invention operates as follows.
Перед началом работы заявляемое устройство устанавливают оптически связанным с генератором накачки (лазером). Генератор накачки может быть монохромно излучающим, с перестраиваемой длиной волны излучения или импульсным источником излучения.Before starting work, the inventive device is installed optically coupled to a pump generator (laser). The pump generator can be monochrome emitting, with a tunable radiation wavelength or a pulsed radiation source.
Программное обеспечение, установленное в блоке 8 управления, позволяет осуществлять контролируемое управление температурой термостатирующего устройства 2 и величиной электрического поля, создаваемого источником 3 электрического поля. Кроме того, программа обеспечивает возможность управления блоком 8 взаимным расположением дисперсионного элемента 6 и счетчика 7 фотонов.The software installed in the
В начале работы пользователь в блоке 8 управления устанавливает целевую длину волны (излучение на которой необходимо потребителю и будет реализовано на выходе заявляемого устройства) - длину волны фотона 2. В зависимости от выбранной целевой длины волны и длины волны излучения, испускаемого генератором накачки, блок 8 управления рассчитывает:At the beginning of work, the user in the
- необходимую температуру нелинейной среды, при которой происходит генерация целевой длины волны, исходя из заложенных ранее сведений о зависимости показателя преломления конкретной (используемой в устройстве) нелинейной среды от температуры и условий фазового синхронизма;- the necessary temperature of the nonlinear medium at which the target wavelength is generated, based on previously laid down information on the dependence of the refractive index of a specific (used in the device) nonlinear medium on temperature and phase matching conditions;
- угол поворота дисперсионного элемента 6 для того, чтобы длина волны фотона 1 после прохождения дисперсионного элемента 6 попадала в диафрагму счетчика 7 фотонов. В случае, когда дисперсионный элемент остается неподвижным, то происходит расчет положения счетчика 7 фотонов относительно дисперсионного элемента 6.- the angle of rotation of the
После определения необходимой температуры, блок 8 управления подает сигнал на термостатирующее устройство 2, в котором расположен нелинейно-оптический элемент 1. После получения сигнала термостатирующее устройство 2 устанавливает необходимую температуру, по достижении которой подает сигнал об установлении необходимой температуры в блок 8 управления. Далее блок 8 управления подает сигнал на счетчик 7 фотонов о включении. Одновременно блок 8 управления подает сигнал о расположении дисперсионного элемента 6 и счетчика 7 фотонов таким образом, чтобы рассчитанное блоком 8 управления излучение фотона 1, проходя через дисперсионный элемент 6, попадало на счетчик 7 фотонов. В случае реализации устройства, в котором дисперсионный элемент 6 выполнен с возможностью изменения угла расположения относительно потока фотонов 1, блок 8 управления подает сигнал на пьезоэлектрический двигатель вращения элемента 6, который, приняв этот сигнал, повернет дисперсионный элемент 6 таким образом, чтобы изменить угол падения излучения на дисперсионный элемент 6 на рассчитанный блоком 8 управления, для того, чтобы длина волны фотона 1 после прохождения дисперсионного элемента 6 попадала в диафрагму счетчика 7 фотонов.After determining the required temperature, the
В случае, когда дисперсионный элемент 6 выполнен неподвижным и не имеющим связи с блоком 8 управления, при включении счетчика 7 фотонов блок 8 управления одновременно подает сигнал счетчику 7 фотонов, установленному на электромеханический транслятор, об изменении положения относительно дисперсионного элемента 6 по окружности, центром которой является дисперсионный элемент 6, таким образом, чтобы рассчитанное блоком 8 управления излучение фотона 1, проходя через дисперсионный элемент 6, попадало на апертуру счетчика 7 фотонов.In the case when the
Одновременно с включением счетчика 7 фотонов блок 8 управления подает пользователю сигнал о необходимости включения накачки. Излучение накачки лазера заводится в термостатированный нелинейно-оптический элемент 1, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния, совершается уничтожение фотона накачки на заданной длине волны и рождение двух фотонов на разных длинах волн - сигнального и холостого (фотона 1 и фотона 2). После этого излучение на длинах волн накачки, сигнального и холостого фотонов направляются в систему 4 отсекающих интерференционных фильтров.Simultaneously with the inclusion of the
Чтобы избежать рассеивания излучения могут быть использованы, но необязательно, системы заводных и выводных линз на входе и выходе из элемента 1, обладающего нелинейно-оптическими свойствами. Системы линз устанавливают таким образом, что их центры кривизны находятся на одной оптической оси и совпадают с осью распространения накачки.To avoid radiation scattering, but not necessarily, systems of clockwork and output lenses at the input and output of the
С помощью системы 4 отсекающих интерференционных фильтров, излучение накачки отрезается, и излучение на длинах волн сигнального и холостого фотонов (фотона 1 и фотона 2) попадают на устройство 5, разделяющее поток фотонов, где холостые фотоны (фотоны 2) подают в выходной канал потребителю, а сигнальные фотоны (фотоны 1) попадают на дисперсионный элемент 6, где разные длины волн распространяются под разными углами. При этом дисперсионный элемент 6 и счетчик 7 фотонов уже имеют взаиморасположение, при котором рассчитанная длина волны фотона 2 попадает на диафрагму счетчика 7 фотонов для детектирования, который считает количество поступивших фотонов в единицу времени и передает эту информацию в блок 8 управления. После включения генератора накачки и появления сигнала на счетчике фотонов блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для плавного сканирования рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла. Блок 8 управления запоминает данные сканирования поля и счетчика 7 фотонов и после завершения сканирования источника 3 внешнего электрического поля устанавливает необходимое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля. Если сигнал так и не поднялся выше минимального уровня, блок 8 управления выдаст пользователю сигнал ошибки. После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующее установлению генерации однофотонных состояний, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления. Пока блок 8 управления получает в режиме реального времени данные от счетчика 7 фотонов о неизменном количестве фотонов в единицу времени, в этом режиме температура нелинейной среды остается неизменной, дисперсионный элемент 6 - неподвижным, и в апертуру счетчика фотонов 7 будет попадать только длина волны фотона 1. Если показатель количества фотонов в единицу времени существенно меняется, это свидетельствует об изменении длины волны генерации фотонов 1, так как разные длины волн распространяются в дисперсионном элементе 6 под разными углами и фотоны на другой длине волны не попадут на вход счетчика 7 фотонов. В этом случае заявляемое устройство корректирует длину волны излучения фотона 1. Так как фотоны 1 и 2 связаны условиями фазового синхронизма, измерение длины волны фотона 1 дает четкое представление о фактической длине волны фотонов 2.Using a system of 4 cut-off interference filters, the pump radiation is cut off, and the radiation at the wavelengths of the signal and idle photons (
Режим стабилизации (мгновенной коррекции генерации однофотонных состояний за счет быстрой коррекции длины волны до |2,5| нм реализуется с помощью однородного электрического поля. Изменение однородного электрического поля внутри нелинейной среды приводит к незначительному, порядка |2,5| нм, изменению длины волны излучения, таким образом, меняя электрическое поле внутри нелинейной среды за счет приложения внешнего электрического поля, можно произвести коррекцию длины волны для достижения целевой. Исходя из данных ширины спектра, длинах волн генерируемых фотонов 1 и 2, дисперсионной зависимости, которые описывают угол распространения разных длин волн внутри/после дисперсионного элемента 6 и зависимости изменения индикатрис показателя преломления нелинейно-оптической среды, блок 8 управления рассчитывает соответствующую величину коррекции поля ΔЕ, генерируемого источником однородного электрического поля внутри среды 1, для коррекции изменения длины волны Δλ, и посылает сигнал источнику 3 внешнего электрического поля о создании внутри нелинейной среды электрического поля для коррекции изменения длины волны генерируемых фотонов 1. После проведения процедуры коррекции блок 8 управления получит сигнал об уровне генерируемых фотонов 1 со счетчика 7 фотонов, если сигнал достигает ранее установившегося уровня, то блок управления подает сигнал источнику электрического поля сигнал о поддержании поля ΔЕ. Если сигнал счетчика 7 фотонов не вернулся к ранее установившемуся уровню, то процедура повторяется до тех пор, пока сигнал с счетчика фотонов 7 не вернется в исходное значение.The stabilization mode (instantaneous correction of the generation of single-photon states due to the fast correction of the wavelength up to | 2.5 | nm is realized using a uniform electric field. Changing the uniform electric field inside the nonlinear medium leads to an insignificant, on the order of | 2.5 | nm, wavelength radiation, thus changing the electric field inside the nonlinear medium due to the application of an external electric field, it is possible to correct the wavelength to achieve the target. Based on the data of the spectrum width, wavelengths n of the generated
Таким образом, в течение сотых долей секунды происходит стабилизация - коррекция длины волны фотона 1, что отражается восстановлением стабильного показателя количества фотонов 1 в единицу времени, регистрируемого счетчиком 7 фотонов, и фиксируемого блоком 8 управления в режиме реального времени, индикация которого будет являться для пользователя сигналом о длины волны.Thus, stabilization occurs within hundredths of a second — correction of the wavelength of
Преимущество электрооптического метода в его быстродействии. Процесс изменения и стабилизации температуры требует, как минимум, нескольких секунд, а в случае приложенного однородного электрического поля, перестройка длин волн фотонов 1 и 2 происходит в течение порядка 0,01 с, ограничиваясь лишь временем изменения электрического поля.The advantage of the electro-optical method is its speed. The process of changing and stabilizing the temperature requires at least a few seconds, and in the case of an applied uniform electric field, the tuning of the wavelengths of
Изобретение иллюстрируется примером конкретного выполнения - для реализации заявляемого способа было создано конкретное устройство, в которомThe invention is illustrated by an example of a specific implementation - to implement the proposed method, a specific device was created in which
источником нелинейной среды (нелинейно-оптический элемент 1) служит нелинейный кристалл ниобата лития с примесью оксида магния (PPLN) LiNbO3:MgO (5%), период модуляции которого равен Λ=7,47 мкм;the source of the nonlinear medium (nonlinear optical element 1) is a nonlinear lithium niobate crystal with an admixture of magnesium oxide (PPLN) LiNbO3: MgO (5%), the modulation period of which is Λ = 7.47 μm;
источник 3 электрического поля представляет из себя две металлические пластины, которые подключены к источнику постоянного тока;the
термостабилизирующий элемент - печь Covesion PV Oven Series PV20, которая может поддерживать температуру с точностью до 0,01°С и с рабочим диапазоном до 210°С;thermostabilizing element - a Covesion PV Oven Series PV20 furnace, which can maintain temperature with an accuracy of 0.01 ° C and with an operating range of up to 210 ° C;
в качестве системы 4 отсекающих интерференционных фильтров, для отсечения излучения генератора накачки, были использованы два последовательно расположенных фильтра Hard-Coated Longpass Filters FELH0550, отражающие излучение ниже 550 нм, и пропускающие излучения больше 550 нм;as a system of 4 cut-off interference filters, to cut off the radiation of the pump generator, two Hard-Coated Longpass Filters FELH0550 filters in series, reflecting radiation below 550 nm and transmitting radiation above 550 nm, were used;
в качестве устройства 5, разделяющего поток фотонов, использовалось дихроичное зеркало Longpass Dichroic Mirror/Beamsplitter: 1150 nm Cut-On Wavelength DMLP1150B, отражающее излучение выше 1150 нм и пропускающее ниже 1150 нм;as a
в качестве дисперсионного элемента 6 была использована дифракционная решетка, расположенная на пьезомеханическом двигателе вращения High-Precision Rotation Mount PR01/M управляемым K-Cube™ Brushed DC Servo Motor Controller KDC101, с возможностью подключения к ЭВМ;as a
в качестве счетчика 7 фотонов использовался лавинный фотодиод PerkinElmer SPCM-AQR Series, обладающий высокой квантовой эффективностью в видимом диапазоне спектра.As the counter of 7 photons, the PerkinElmer SPCM-AQR Series avalanche photodiode was used, which has high quantum efficiency in the visible range of the spectrum.
Все указанные элементы устройства расположены согласно схеме на фигуре 1 и помещены в единый корпус, который не пропускает электромагнитное излучение в видимом диапазоне и ближнем ИК-диапазоне.All these elements of the device are located according to the scheme in figure 1 and are placed in a single housing, which does not allow electromagnetic radiation in the visible range and near infrared range.
Блок 8 управления - ЭВМ с предустановленным на него соответствующим программным обеспечением - выведено за пределы корпуса.The
Перед началом работы вышеописанное устройство устанавливают оптически связанным с генератором накачки, в качестве которого был использован непрерывный монохроматический лазер ALPHALAS MONOPOWER 532-SM, генерирующий длину волны 532 нм.Before starting work, the above device is installed optically coupled to a pump generator, which was used as a continuous monochromatic laser ALPHALAS MONOPOWER 532-SM, generating a wavelength of 532 nm.
В конкретном примере осуществления способа излучение генератора накачки заводилось в нелинейную среду с помощью собирающей линзы с фокусным расстоянием f=250 мм и коллимировалась вдоль исходной оси собирающей линзой с фокусным расстоянием f=150 мм.In a specific example of the method, the radiation of the pump generator was introduced into a nonlinear medium using a collecting lens with a focal length f = 250 mm and collimated along the original axis with a collecting lens with a focal length f = 150 mm.
Пользователь в блоке 8 управления устанавливает необходимую (целевую) длину волны λ однофотонных состояний, в нашем примере устанавливалась длина волны холостого фотона (фотона 2), равной 1550 нм. Блок 8 управления, рассчитывает необходимую температуру Т нелинейной среды, при которой происходит генерация параметрического рассеяния света на заданной длине волны на основе заранее заложенных формул:The user in the
где km - волновой вектор, nm - показатель преломления среды, λm - длина волны, Т - температура нелинейной среды (m=p - накачка, s - сингальный, i - холостой фотоны), Λ - период модуляции нелинейности. Показатель преломления нелинейной среды определяется из формул Селмейера приведенных в статье [Measurement of refractive indices and thermal refractive-index coefficients of LiNbO 3 crystal doped with 5 mol. % MgO / H.Y. Shen [et al.] // Applied optics. - 1992. - Vol. 31, Iss. 31. - P. 6695-6697.]. Для большинства популярных нелинейных сред формулы Селмейера изучены и приведены в книге [Г.Г. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике // М.: Радио и связь, 1991].where k m is the wave vector, n m is the refractive index of the medium, λ m is the wavelength, T is the temperature of the nonlinear medium (m = p is the pump, s is the singal, i is the empty photon), Λ is the period of modulation of the nonlinearity. The refractive index of a nonlinear medium is determined from the Selmeier formulas given in the article [Measurement of refractive indices and thermal refractive-index coefficients of
Для использующегося в конкретном устройстве периодически модулированного LiNbO3:MgO (5%) с периодом модуляции Λ=7,47 мкм (PPLN), при длине волны накачки 532 нм, блоком 8 управления была рассчитана температура нелинейного кристалла Т=75°С, при которой реализуются еее-синхронизм, в котором все фотоны поляризованы вдоль необыкновенной оси кристалла (оси Z), длины волн сигнального и холостого фотона 810 нм (Δλs=0,13 нм) и 1550 нм (Δλi=0,48 нм), соответственно. Для удобства использования в программу блока 8 управления закладывались заранее рассчитанная зависимость спектра холостых фотонов от температуры кристалла LiNbO3:MgO (5%).For a periodically modulated LiNbO3: MgO (5%) used in a particular device with a modulation period Λ = 7.47 μm (PPLN), at a pump wavelength of 532 nm, the temperature of the nonlinear crystal T = 75 ° С was calculated by the
Нижеприведенные графики отображают зависимость длин волн рождающихся фотонов в кристалле ниобата лития LiNbO3:MgO (5%) с периодом модуляции Λ=7,47 мкм при накачке 532 нм от температуры - слева приведена зависимость длины волны холостого фотона от длины волны сигнального фотона, справа - зависимость длины волны сигнального фотона от температуры:The graphs below show the dependence of the wavelengths of the generated photons in a lithium niobate LiNbO 3 : MgO crystal (5%) with a modulation period Λ = 7.47 μm when pumped at 532 nm as a function of temperature — the dependence of the idle photon wavelength on the signal photon wavelength is shown on the left, right - the dependence of the wavelength of the signal photon on temperature:
Одновременно с определением температуры Т блок 8 управления рассчитывает угол падения а сигнального излучения на дисперсионный элемент 6, для того чтобы необходимая длина волны сигнального фотона в апертуру счетчика 7 фотонов. При этом длина волны холостого фотона составляет 810 нм. Так как контроль длины волны холостого фотона происходит через сигнальный фотон, то все расчеты осуществлены на основании длины волны сигнального фотона. В качестве дисперсионного элемента использовалась дифракционная решетка с периодом d=0,833 мкм, что соответствует 1200 шт/мм. На основе законов дифракции блок 8 управления рассчитывает угол, на который необходимо повернуть дифракционную решетку, чтобы установить длину волны, которая должна падать на вход счетчика 7 фотонов по формуле:Simultaneously with determining the temperature T, the
где α0 - начальный угол падения на дисперсионный элемент, ϕ0 - начальный угол дифракции. В геометрии нашего устройства, начальная юстировка устройства предполагает, что при длине 810 нм (что соответствует длине волны 1550 нм холостого фотона) падения на дисперсионный элемент 6 составит α0=0 градусов, а угол дифракции первого порядка (m=1) ϕ0=76,41 градусов, а счетчик фотонов 7 будет иметь начальное положение ϕ0 относительно дисперсионного элемента 6. Следовательно, в нашем устройстве при установлении температуры Т=75°С, сигнальное излучение на 810 нм попадает на вход счетчика 7 фотонов и на выходе из устройства будет 1550 нм.where α 0 is the initial angle of incidence on the dispersion element, ϕ 0 is the initial angle of diffraction. In the geometry of our device, the initial alignment of the device suggests that at a length of 810 nm (which corresponds to a wavelength of 1550 nm of a blank photon), the incidence on
После определения необходимой температуры, блок 8 управления подает сигнал на термостатирующее устройство 2, в котором расположен нелинейно-оптический элемент 1. После получения сигнала термостатирующее устройство 2 устанавливает необходимую температуру, по достижении которой подает сигнал об установлении необходимой температуры в блок 8 управления, который подает сигнал на счетчик 7 фотонов о включении. Одновременно блок 8 управления подает сигнал на пьезомеханический двигатель вращения о расположении дисперсионного элемента 6 на рассчитанный угол α0.After determining the required temperature, the
Одновременно с включением счетчика 7 фотонов блок 8 управления подает пользователю сигнал о необходимости включения накачки. Излучение накачки лазера заводится в термостатированный нелинейно-оптический элемент 1, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния, совершается уничтожение фотона накачки на заданной длине волны (532 нм) и рождение двух фотонов на разных длинах волн - сигнального (810 нм) и холостого (1550 нм) - фотона 1 и фотона 2. После этого излучение на длинах волн накачки, сигнального и холостого фотонов направляются в систему 4 отсекающих интерференционных фильтров. После включения генератора накачки и появления сигнала на блоке 8 управления от счетчика 7 фотонов (313 кГц) блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для плавного сканирования рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла. Установленное в блоке 8 управления программное обеспечение запоминает данные сканирования поля и счетчика 7 фотонов и после завершения сканирования источника 3 внешнего электрического поля устанавливает необходимое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля. После проведения сканирования полем, максимальный счет на счетчике 7 фотонов составлял 350 кГц и значение поля при максимальном счете составило Е0=-0,96 кВ/см. Далее блок управления 8 установил Е0 как базовое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля и дает команду на его поддержание.Simultaneously with the inclusion of the
После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующее установлению генерации однофотонных состояний, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления. Пока блок 8 управления получает в режиме реального времени данные от счетчика 7 фотонов о неизменном количестве фотонов в единицу времени, в этом режиме температура нелинейной среды остается неизменной, дисперсионный элемент 6 - неподвижным, и в апертуру счетчика фотонов 7 будет попадать только излучение на длине волны фотона 1.After establishing a constant signal of the
В случае, если пользователю требуется изменить целевую длину волны в пределах |2,5| нм, например, до 1552 нм, устройство будет работать следующим образом. Пользователь задает новое значение целевой длины волны (фотона 2) в блоке 8 управления. Блок 8 управления сравнивает старую и новую целевые длины волн. Если |Δλ|<2,5 нм, то перестройка происходит на основе электрооптического метода. Если |Δλ|>2,5 нм, то перестройка происходит на основе температурного метода.In case the user needs to change the target wavelength within | 2.5 | nm, for example, up to 1552 nm, the device will work as follows. The user sets a new value for the target wavelength (photon 2) in the
В нашем случает Δλ=1550 нм - 1552 нм = 2 нм. Изменение длины волны выполняется за счет внешнего электрического поля. Для кристалла LiNbO3:MgO (5%) приложение электрического поля Ez вдоль оси Z, приводит лишь к изменению значений эллипсоида показателей преломления, таким образом, чтоIn our case, Δλ = 1550 nm - 1552 nm = 2 nm. The change in wavelength is due to an external electric field. For a LiNbO 3 : MgO crystal (5%), the application of an electric field E z along the Z axis only leads to a change in the values of the refractive index ellipsoid, so that
где rij - линейные электрооптические коэффициенты. Для каждого кристалла эта величина является индивидуальной и вычисляется для конкретного типа генерации параметрического рассеяния света. В [Сонин, А.С. Электрооптические кристаллы [Текст] / А.С Сонин, А.С. Василевская. М.: Атомиздат. - 1971] указано, какие линейные электрооптические коэффициенты могут быть у нелинейных сред, в зависимости от типа симметрии. Для кристалла LiNbO3:MgO (5%) сдвиг спектра зависит следующим образом:where r ij are linear electro-optical coefficients. For each crystal, this value is individual and is calculated for a particular type of generation of parametric scattering of light. In [Sonin, A.S. Electro-optical crystals [Text] / A.S. Sonin, A.S. Vasilevskaya. M .: Atomizdat. - 1971] it is indicated what linear electro-optical coefficients can be in nonlinear media, depending on the type of symmetry. For a LiNbO3: MgO crystal (5%), the shift of the spectrum depends on the following:
где ν0 - исходная частота генерации, в отсутствии внешнего электрического поля (λ=2πn/ν). Для удобства это выражение закладывается в программное обеспечение управления компьютером. При новой длине волны 1552 нм длина волны сигнального фотона будет соответствовать 809.47 нм (рассчитывается блоком 8 управления из условия синхронизма). Для перехода длины волны с 810 нм на 809.47 нм блок 8 управления устанавливает рассчитанную из формулы (6) величину электрического поля на источнике 3 внешнего поля Е0 new=Е0 -20.152 кВ/см. Далее блок управления 8 установил Е0 new как базовое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля и дает команду на его поддержание. Кроме того, блок 8 управления одновременно устанавливает новый α=0.0521 для дисперсионного элемента 6. После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующего установлению генерации однофотонных состояний на новой длине волны, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления.where ν 0 is the initial generation frequency in the absence of an external electric field (λ = 2πn / ν). For convenience, this expression is embedded in computer management software. With a new wavelength of 1552 nm, the wavelength of the signal photon will correspond to 809.47 nm (calculated by the
В случае, если пользователю требуется изменить целевую длину волны более, чем на |2.5| нм, изменение происходит с помощью температурного метода. Пользователь устанавливает новое значение длины волны, например, 1530 нм. Блок 8 управления сравнивает новое значение со старым |Δλ|=|1530-1552 нм|=|-22 нм|>2.5 нм. Блок 8 управления рассчитывает температуру, при которых будет происходить СПР при новых условиях (57°С), устанавливает ее на термостатирующем устройстве 2, рассчитывает новый угол α=0.51 и устанавливает его на дисперсионном элементе 6, чтобы длина волны излучения сигнального фотона, рассчитанная по условиям синхронизма, была 815.6 нм, соответствующая длине воны холостого фотона 1530 нм на выходе. После установления постоянной величины сигнала со счетчика 7 фотонов - 327 кГц блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для сканирования полем рабочего диапазона. Полученный максимальный счет фотонов со счетчика 7 фотонов составил 351.5 кГц и поле Е0 new=0.75 кВ/см. Далее блок 8 управления подает источнику внешнего поля 3 сигнал на поддержания поля Е0 new.In case the user needs to change the target wavelength by more than | 2.5 | nm, the change occurs using the temperature method. The user sets a new value for the wavelength, for example, 1530 nm. The
Так как литературные данные по показателям преломления основаны на данных, полученных эмпирическим методом, то существует погрешность в соотношении реальных данных и теоретически рассчитанных. Для компенсации ошибки показателя преломления среды используется плавное сканирование рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла.Since the literature data on refractive indices are based on data obtained by the empirical method, there is an error in the ratio of real data and theoretically calculated. To compensate for the error of the refractive index of the medium, a smooth scanning of the working range of the electric field inside the crystal is used.
В случае отклонения счета фотонов от заданного без участия пользователя, включается коррекция длины волны, что отражается на блоке 8 управления. Например, при уменьшении в 2 раза значения счета фотонов на счетчике 7 фотонов, что соответствует изменению длины волны сигнального фотона на 0,065 нм, при этом длина волны холостого фотона изменится на 0,24 нм. Для компенсации этого отклонения, блок 8 управления подает сигнал источнику 3 электрического поля на изменение электрического поля на величину ΔEz=2,47 кВ/см. При этом, если сигнал изменяется в сторону уменьшения, блок 8 управления дает команду источнику 3 электрического поля на изменение электрического поля на эту же величину, но обратную по значению. После восстановления количества фотонов, фиксируемого счетчиком 7 фотонов к исходному значению, блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля на поддержание данной величины электрического поля Е0 new=Е0+ΔEz. При каждом отклонении счета фотонов процедура будет повторяться.In the case of deviation of the photon count from the preset without user intervention, the correction of the wavelength is included, which is reflected in the
Таким образом, заявлен способ управления спектром однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, расширяющий арсенал способов указанного назначения, а именно способ стабилизации и перестройки длин волн. Эффективность заявляемого способа заключается в возможности производить высокоскоростную стабилизацию и перестройку длины волны однофотонного источника на основе спонтанного параметрического рассеяния света в пределах |2,5| нм, а также производить изменение выходного спектра в широком спектральном интервале до 100 нм. Для реализации данного способа создано устройство.Thus, the claimed method of controlling the spectrum of single-photon states based on spontaneous parametric scattering, expanding the arsenal of methods for this purpose, namely, the method of stabilization and tuning of wavelengths. The effectiveness of the proposed method lies in the ability to perform high-speed stabilization and tuning of the wavelength of a single-photon source based on spontaneous parametric scattering of light within | 2.5 | nm, as well as produce a change in the output spectrum in a wide spectral range up to 100 nm. To implement this method, a device is created.
Заявляемые способ и устройство позволяют производить широкую перестройку длины волны источника однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния света. За счет температурного изменения значения показателя преломления в нелинейной среде производят изменение выходного спектра в широком спектральном интервале до 100 нм, а с помощью внешнего электрического поля - более точную и почти мгновенную подстройку длины волны до |2,5| нм к нелинейной среде внешнего электрического поля.The inventive method and device allow for wide tuning of the wavelength of the source of single-photon states based on spontaneous parametric scattering of light. Due to the temperature change in the refractive index in a nonlinear medium, the output spectrum is changed in a wide spectral range up to 100 nm, and using an external electric field, a more accurate and almost instantaneous adjustment of the wavelength to | 2.5 | nm to a nonlinear medium of an external electric field.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019117028A RU2708538C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019117028A RU2708538C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2708538C1 true RU2708538C1 (en) | 2019-12-09 |
Family
ID=68836771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019117028A RU2708538C1 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2708538C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811388C1 (en) * | 2023-04-20 | 2024-01-11 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intra-cavity generation of spontaneous parametric light scattering, and device for its implementation |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090028340A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Magiq Technologies, Inc. | Tunable compact entangled-photon source and QKD system using same |
| US8265280B2 (en) * | 2004-11-05 | 2012-09-11 | Nucrypt Llc | System and method of entangled photons generation |
| US8441719B2 (en) * | 2008-05-01 | 2013-05-14 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Photon pair generating apparatus and photon pair generating method |
| RU2626167C1 (en) * | 2016-09-08 | 2017-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | Schemes of generation of modified ghc states |
-
2019
- 2019-06-03 RU RU2019117028A patent/RU2708538C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8265280B2 (en) * | 2004-11-05 | 2012-09-11 | Nucrypt Llc | System and method of entangled photons generation |
| US20090028340A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Magiq Technologies, Inc. | Tunable compact entangled-photon source and QKD system using same |
| US8441719B2 (en) * | 2008-05-01 | 2013-05-14 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Photon pair generating apparatus and photon pair generating method |
| RU2626167C1 (en) * | 2016-09-08 | 2017-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | Schemes of generation of modified ghc states |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811388C1 (en) * | 2023-04-20 | 2024-01-11 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | Method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intra-cavity generation of spontaneous parametric light scattering, and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5041256B2 (en) | Quantum entanglement generation apparatus and method, and quantum entanglement generation detection apparatus and method | |
| Clausen et al. | A source of polarization-entangled photon pairs interfacing quantum memories with telecom photons | |
| JP5259716B2 (en) | Wavelength conversion laser light source, projection display device including the same, liquid crystal display device, and laser light source | |
| WO2018105549A1 (en) | Wavelength-swept light source, method for generating drive data for wavelength-swept light source, and optical deflector | |
| CN108462026B (en) | Auto-collimation high-stability entanglement source module and system | |
| WO2012093654A1 (en) | Wavelength sweep light source | |
| JP7096906B2 (en) | Laser system and electronic device manufacturing method | |
| JP5646040B2 (en) | Apparatus and method for frequency conversion of a laser beam | |
| JPWO2015140901A1 (en) | Laser system | |
| CN104965373A (en) | Novel non-degeneration narrow-band entanglement source | |
| Heinze et al. | Observation of squeezed states of light in higher-order Hermite-Gaussian modes with a quantum noise reduction of up to 10 db | |
| JP2006337833A (en) | Wavelength variable optical frequency comb generator | |
| RU2708538C1 (en) | Method of stabilizing and rearranging wavelengths of single-photon states based on spontaneous parametric scattering and a device for realizing | |
| KR102441594B1 (en) | HIGH-BRIGHTNESS QUANTUM SOURCE BASED ON MULTI-WAVELENGTH COMBINATION VIA ARRAYED TYPE-0 ppKTP CRYSTAL AND METHOD OF GENERATING ENTANGLED PHOTON PAIRS | |
| Ljunggren et al. | Theory and experiment of entanglement in a quasi-phase-matched two-crystal source | |
| Henriksson et al. | Tandem PPKTP and ZGP OPO for mid-infrared generation | |
| JP4111076B2 (en) | Wavelength conversion laser device | |
| RU2811388C1 (en) | Method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intra-cavity generation of spontaneous parametric light scattering, and device for its implementation | |
| US8820968B2 (en) | Wavelength conversion element, laser light source device, image display device, and method of manufacturing wavelength conversion element | |
| RU2807972C1 (en) | Method for generating entangled narrow-band states of light and device for its implementation | |
| JP2010093211A (en) | Wavelength conversion laser device | |
| WO2023145524A1 (en) | Optical device and light production method | |
| CN116594239B (en) | Quantum light source system based on back phase matching | |
| Sukeert et al. | High-power continuous-wave mid-infrared difference-frequency generation in the presence of thermal effects | |
| Bhatt et al. | Strategies to achieve high brightness in collinear Sagnac polarization entangled photon source |