阅读说明：本技术 基于多波导级联的纠缠光源产生装置及方法 (Multi-waveguide cascade-based entanglement light source generation device and method ) 是由 董瑞芳 邢俊杰 项晓 权润爱 刘涛 张首刚 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：基于多波导级联的纠缠光源产生装置及方法,包括泵浦激光器、光子产生及滤波装置、偏振分束器和偏振合束装置；有若干级光子产生及滤波装置,泵浦激光器连接光子产生及滤波装置,每级光子产生及滤波装置均分为两路,每级光子产生及滤波装置的一路连接偏振分束器,另一路连接下一级光子产生及滤波装置；每级偏振分束器均对应有偏振合束装置,相邻的两级光子产生及滤波装置之间,上级和下级的偏振分束器均分为两路,上级偏振分束器的一路连接同级偏振合束装置,另一路连接下一级的偏振合束装置,下级偏振分束器的一路连接同级偏振合束装置,另一路连接上一级的偏振合束装置。本发明能够确保较高的CAR值的条件下,仍然能够有较高的符合计数。从整体上提高量子纠缠光源的效率和品质。(The device comprises a pump laser, a photon generating and filtering device, a polarization beam splitter and a polarization beam combining device; the device comprises a plurality of stages of photon generating and filtering devices, a pump laser is connected with the photon generating and filtering devices, each stage of photon generating and filtering device is divided into two paths, one path of each stage of photon generating and filtering device is connected with a polarization beam splitter, and the other path of each stage of photon generating and filtering device is connected with the next stage of photon generating and filtering device; each polarization beam splitter is correspondingly provided with a polarization beam combining device, between two adjacent photon generating and filtering devices, the polarization beam splitters of an upper level and a lower level are equally divided into two paths, one path of the polarization beam splitter of the upper level is connected with the polarization beam combining device of the same level, the other path of the polarization beam splitter of the lower level is connected with the polarization beam combining device of the next level, the other path of the polarization beam splitter of the lower level is connected with the polarization beam combining device of the same level, and the other path of the polarization beam splitter of the upper level is connected with the polarization beam combining device of the first level. The invention can ensure a higher coincidence count under the condition of a higher CAR value. The efficiency and quality of the quantum entanglement light source are improved as a whole.)

基于多波导级联的纠缠光源产生装置及方法

技术领域

本发明量子信息技术领域，具体涉及基于多波导级联的纠缠光源产生装置及方法。

背景技术

频率纠缠光源在量子时间同步、量子密钥分发、量子计算、量子通信及量子精密测量等领域有着广泛的应用。目前产生纠缠光源最为常用且有效的方法是基于二阶非线性效应的自发参量下转换(SPDC)过程，其物理过程可以描述为一束高频泵浦光作用于非线性介质，产生一对低频光子，通常称之为信号光子和闲置光子。利用自发参量下转换过程产生的光子对，通常具有偏振、角动量、频率或动量纠缠特性。当非线性介质满足II类相位匹配时，SPDC过程产生的信号光子和闲置光子偏振方向正交，可应用偏振分束器进行空间分离。通过操控泵浦光的谱型函数和非线性晶体的相位匹配函数，可实现应用所需的频率纠缠光源。以频率反关联纠缠光源为例，当泵浦光为连续的准单色光源时，可获得频率反关联纠缠光源。

迄今为止，SPDC过程已相继在非线性晶体(如BBO、PPKTP晶体等)、非线性波导、色散位移光纤和光子晶体光纤中被实现。波导由于具有体积小、强泵浦能量聚集及易于与光纤器件集成等特性，已被广泛用于产生更高亮度的小型化纠缠光源。为了实现实用化量子通信，具有更高效率、更好稳定性和紧凑性、与光纤器件兼容的纠缠源开始成为科学家们研究目标。

为了提高纠缠光源的亮度，目前主要做法是提高泵浦光注入波导的功率。然而，随着泵浦光输出功率的提高，自发参量下转换产生的偶然双光子率也在急剧增大。为了对其自发参量下转换过程产生的双光子源质量进行评估，需要用有效符合计数与偶然符合计数的比值，即CAR(coincidence-to-accidental ratio，CAR＝(Ncc-Nacc)/Nacc)值作为评判纠缠光源品质因数的标准。一般认为，当CAR值小于10时，光子对就被认定为质量不高，此时纠缠源则不能进行量子

技术领域

应用。

典型的例子如图2所示，利用780nm的分布式布拉格反射镜(DBR)半导体激光二极管抽运II类相位匹配的周期极化铌酸锂(PPLN)波导，发生自发参量下转换过程产生具有频率反关联纠缠的光子对，剩余泵浦光随后经过滤波装置进行滤除，此时所用滤波装置为具有50dB隔离度的波分复用器(WDM)，之后经过偏振分束器(FPBS)将闲置光子与信号光子进行空间分离，连接到两台基于InGaAs雪崩光电二极管(APD)的近红外单光子探测器D1、D2(上海朗研光电SPD4).两个探测器工作在盖革模式下，由任意波形发生器(TektronixAFG3252)提供外部触发信号，该外部触发信号为重复频率是75MHZ的脉冲信号。两个探测器的探测效率为20％，两单光子探测器的暗计数分别为2.5k和2.0k。两单光子探测器的电信号输出分别作为开始和结束信号接到一个事件相关计数器(PicoHarp300)从而可以对信号光子与闲置光子进行符合计数分析。图(1)记录了泵浦光功率从2mW增加到72mW时，得到的有效符合计数与偶然符合计数随功率的变化关系。图(2)所示为有效符合计数与偶然符合计数的比值，即CAR值，随功率的变化情况。

由图2可以看出，有效符合计数与偶然符合计数都随着泵浦光功率的增加而增加，而偶然符合计数的增加速率高于有效符合计数的增加速率。这主要是由于，随着泵浦功率的增加多光子效应以及自发拉曼散射现象显著，使得偶然符合计数迅速增加。这导致有效符合与偶然符合的比值(CAR)随泵浦功率的增加而减小，意味着纠缠源的品质随着泵浦光功率的增加而下降。当泵浦光功率超过10mW时，产生的频率纠缠源的CAR值将低于10。

发明内容

本发明的目的在于提供基于多波导级联的纠缠光源产生装置及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于多波导级联的纠缠光源产生装置，包括泵浦激光器、光子产生及滤波装置、偏振分束器和偏振合束装置；有若干级光子产生及滤波装置，泵浦激光器连接光子产生及滤波装置，每级光子产生及滤波装置均分为两路，每级光子产生及滤波装置的一路连接偏振分束器，另一路连接下一级光子产生及滤波装置；每级偏振分束器均对应有偏振合束装置，相邻的两级光子产生及滤波装置之间，上级和下级的偏振分束器均分为两路，上级偏振分束器的一路连接同级偏振合束装置，另一路连接下一级的偏振合束装置，下级偏振分束器的一路连接同级偏振合束装置，另一路连接上一级的偏振合束装置。

进一步的，光子产生及滤波装置包括PPLN波导和波分复用器WDM；PPLN波导的一端连接泵浦激光器，另一端连接波分复用器WDM。

进一步的，PPLN波导用于在泵浦激光器产生的泵浦激光的作用下发生自发参量下转换，产生偏振相互正交的信号光子s1和闲置光子i1。

进一步的，泵浦激光器为780nm的半导体激光器。

进一步的，偏振合束装置连接有输出路。

进一步的，基于多波导级联的纠缠光源产生方法，包括以下步骤：

泵浦激光器发射激光进入PPLN波导发生自发参量下转换，产生一对偏振相互正交低频的光子；将发生自发参量下转换后的光子接入波分复用器WDM中，多次产生信号光子与闲置光子；

二级级联的PPLN波导产生的光子接入二级波分复用器中，对泵浦光进行滤波之后，再接入到二级偏振分束器中能够将偏振相互正交的信号光子s2与闲置光子i2分为两路光子；

偏振分束器将信号光子s1或信号光子s2与闲置光子i2或闲置光子i1合为1路光子输出。

进一步的，对高频的泵浦光进行滤波，确保后续光路中接入的光子为低频的，经过波分复用器WDM后的低频光子，接入偏振分束器，将相互正交的信号光子s1与闲置光子i1分为两路光子；

经过波分复用器WDM后的高频光子继续作为一个泵浦光注入到二级级联的PPLN波导中发生二级的自发参量下转换的过程，第二次产生信号光子与闲置光子；

进一步的，泵浦激光器发射中心波长为780nm的激光。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明发生多次自发参量下转换后，被滤除后的泵浦光源重新利用，增加了能量重复利用率；能够确保较高的CAR值的条件下，仍然能够有较高的符合计数。从整体上提高量子纠缠光源的效率和品质。

本发明设计了一种基于多波导级联纠缠光源产生装置。该装置可以将泵浦光设置在较低的功率之下，通过将泵浦光作用于第一块非线性波导，发生自发参量下转换之后，将剩余的泵浦光通过波分复用器(WDM)收集，接着注入第二块波导中，发生第二级自发参量下转换，以此类推，可以通过增加波分复用器的器件个数以及波导个数来增加参量下转换的次数。最后通过合束装置，将每一级自发参量下转换过程产生的信号光子与闲置光子进行合束，使得信号光子与闲置光子的数目得以提升，同时将CAR维持在较高的水平，以满足实际应用中对频率纠缠光源品质和效率的要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为背景技术附图。

其中：泵浦激光器1；PPLN波导2；波分复用器WDM3；偏振分束器4；偏振合束装置8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于该实施例。本例子为一个基于双波导级联的频率纠缠光源产生方法及装置。

泵浦激光器1：780nm的半导体激光器

PPLN波导2：长度为10mm，极化周期为8.3μm，在泵浦激光器1产生的泵浦激光的作用下，发生自发参量下转换，产生偏振相互正交的信号光子s1和闲置光子i1。

波分复用器(WDM)3：由于发生一级参量下转换之后，PPLN波导2中含有未参与SPDC过程的剩余泵浦光。波分复用器(WDM)3作为一个高性能的滤波装置，泵浦光与发生自发参量下转换的双光子对共同进入波分复用器(WDM)3中，能够将780nm与1560nm的光分开。

偏振分束器4：能够将偏振态相互正交的信号光子s1与闲置光子i1分为两路输出。

二级级联的PPLN波导2：长度为10mm，极化周期8.3μm，780nm的激光作用于PPLN波导，发生第二次自发参量下转换过程，用于产生二级级联的偏振相互正交信号光子s2和闲置光子i2。

二级波分复用器(WDM)3：对于发生二级参量下转化的泵浦光进行滤波，将二级自发参量下转换的光子进入到后面的装置。虚线所示部分为收集的第二次参量下转换后剩余的泵浦光，可根据实际需要级联后续的波导，发生多级参量下转换。

二级偏振分束器4：将偏振相互正交的信号光子s2与闲置光子i2分为两路光子输出。

偏振合束装置8：将信号光子s1与闲置光子i2合为1路光子输出。

二级偏振合束装置8：将信号光子s2与闲置光子i1合为1路光子输出。

基于多波导级联的纠缠光源产生装置，其特征在于，包括泵浦激光器1、光子产生及滤波装置、偏振分束器4和偏振合束装置8；有若干级光子产生及滤波装置，泵浦激光器1连接光子产生及滤波装置，每级光子产生及滤波装置均分为两路，每级光子产生及滤波装置的一路连接偏振分束器4，另一路连接下一级光子产生及滤波装置；每级偏振分束器4均对应有偏振合束装置8，相邻的两级光子产生及滤波装置之间，上级和下级的偏振分束器4均分为两路，上级偏振分束器4的一路连接同级偏振合束装置8，另一路连接下一级的偏振合束装置8，下级偏振分束器4的一路连接同级偏振合束装置8，另一路连接上一级的偏振合束装置8。

光子产生及滤波装置包括PPLN波导2和波分复用器WDM3；PPLN波导2的一端连接泵浦激光器1，另一端连接波分复用器WDM3。

PPLN波导2：长度为10mm，极化周期为8.3μm。PPLN波导2用于在泵浦激光器1产生的泵浦激光的作用下发生自发参量下转换，产生偏振相互正交的信号光子s1和闲置光子i1。

上述器件的空间位置关系和信号流动方向如下所述：泵浦激光器1发射中心波长为780nm的激光进入PPLN波导2发生自发参量下转换，产生一对偏振相互正交低频(1560nm)的光子。将发生自发参量下转换后的光子接入波分复用器(WDM)3中，对780nm的泵浦光进行滤波，确保后续光路中接入的光子为1560nm，经过波分复用器(WDM)3后的低频光子(1560nm)，接入偏振分束器4，将相互正交的信号光子s1与闲置光子i1分为两路光子。

经过波分复用器(WDM)3后的高频光子(780nm)继续作为一个泵浦光注入到二级级联的PPLN波导中发生二级的自发参量下转换的过程，第二次产生信号光子与闲置光子。二级级联的PPLN波导产生的光子接入二级波分复用器(WDM)中，对泵浦光进行滤波之后。再接入到二级偏振分束器4中能够将偏振相互正交的信号光子s2与闲置光子i2分为两路光子。偏振合束装置8，将信号光子s1(信号光子s2)与闲置光子i2(闲置光子i1)合为1路光子输出，进而提高量子纠缠光源的效率。

上述实施例，仅给出基于双波导级联的纠缠光源产生方法及装置，为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例。本发明并非限定于此。通过增加波分复用器的器件以及波导，上述实施例易于扩展到三级以上级联系统。