具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1所示，一种超宽带能量-时间纠缠双光子态的产生方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制备直波导结构：在温度18-28℃的环境下，在衬底上生成LiNbO₃晶体薄膜层，构成直波导结构，所述LiNbO₃晶体薄膜层上设置有梯形截面的凸起；

步骤2：泵浦光从直波导结构的梯形截面的凸起部分正入射到直波导中进行传播，在传播过程中进行自发参量下转换过程；

步骤3：所述LiNbO₃晶体薄膜层的二阶非线性极化系数χ⁽²⁾沿泵浦光传播方向周期性反转，实现二阶非线性极化系数χ⁽²⁾＝+1的晶畴和二阶非线性极化系数χ⁽²⁾＝-1的晶畴规律交替出现，补偿多个自发参量下转换过程的失配量

步骤4：经过直波导结构内发生发参量下转换过程后，一个频率为w_P的泵浦光光子被非线性光子晶体转化为一个频率为w_S的信号光光子和一个频率为w_I的闲置光光子。

如图2-6所述，优选地，本实施例中直波导结构生成温度采用20-25度，直波导结构包括衬底层1，所述衬底1层上设置有LiNbO₃晶体薄膜层2，所述LiNbO₃晶体薄膜层2掺杂4％-6％MgO，优选地，本实施例中MgO的配比为5％，LiNbO₃薄膜容易在强激光下受到损伤，掺杂5％MgO可以提高LiNbO₃薄膜的抗激光损伤阈值。所述非线性直波导由室温下(20℃至25℃)5％MgO掺杂的LiNbO₃晶体薄膜制备而成。

所述衬底1采用SiO2衬底，所述衬底1的长度L为6.5-10mm，高度D为1.8-2.2μm，本实施例中，优选值为L为8mm，厚度D为2μm。

LiNbO₃晶体薄膜层2的厚度d2为180-220nm层，在LiNbO₃晶体薄膜层的中部设置有LiNbO₃晶体薄膜层凸起3，所述LiNbO₃晶体薄膜层凸起3的横截面为等腰梯形，等腰梯形的高度d1为380-420nm，上底的长度W为1500-1700nm，腰与下底的夹角θ的角度为65-80度。本实施例中，各参数的优选值为所述d2的厚度为200nm。所述等腰梯形的高度d1为400nm，上底的长度W为1600nm，腰与下底的夹角θ的角度为75度。

本发明的结构色散如图4所示，通过优化设计截面结构可以改变直波导的结构色散，根据不同的结构色散，可以调整自发参量下转换过程中的波矢失配量，提高自发参量下转换过程的非线性转换效率。

通过外加电压改变LiNbO₃晶体的二阶非线性系数χ⁽²⁾的正负系数，LiNbO₃晶体加电压的区域与不加电压的区域的二阶非线性系数分别为χ⁽²⁾＝-1，χ⁽²⁾＝+1，分别对应图4中白色与黑色区域，它们交替排列出现，每一个白色与黑色区域的宽度Λ随着直波导的位置在变化，即准周期极化结构。利用准周期极化结构可以补偿自发参量下转换过程的波矢失配量，实现更高的非线性转换效率。

非线性直波导的长度为8mm，泵浦光波长优选为775nm，泵浦光从波导截面梯形部分正入射到直波导中，由于LiNbO₃晶体的二阶非线性系数，在直波导结构内发生发参量下转换过程，一个频率为w_P的泵浦光光子被非线性光子晶体转化为一个频率为w_S的信号光光子和一个频率为w_I的闲置光光子。产生的信号光和闲置光的波长位于1550nm的两侧。该过程满足能量匹配条件，但不满足动量守恒条件

记泵浦光、信号光和闲置光的波矢分别为和则失配量可以通过以周期为Λ变化的χ⁽²⁾来补偿，波矢失配量满足动量守恒：为了实现动量守恒条件采用准周期极化结构来补偿非线性过程中的波矢失配量，通过改变LiNbO₃晶体的二阶非线性系数χ⁽²⁾，能够同时补偿多个自发参量下转换过程的失配量。二阶非线性系数的变化周期随着晶体的坐标而改变，以同时补偿多个自发参量下转换过程。我们采取啁啾的形式改变χ⁽²⁾的翻转周期。χ⁽²⁾的翻转周期可以表示为：Λ＝2π/Δk。

使用LiNbO₃薄膜结构的有效折射率，并选取信号光和闲置光的光谱宽度为10THz，非线性直波导的长度为8mm，用以上参数可以设计得到χ⁽²⁾的空间分布如图5所示。该图展示了部分波导的χ⁽²⁾分布，其中黑色表示χ⁽²⁾＝+1，白色表示χ⁽²⁾＝-1。其中每一个准周期的宽度如图6所示。基于该实施案例的非线性直波导，可以产生带宽达10THz的超宽带能量-时间双光子纠缠。通过优化参数及准周期结构，可以实现更大的带宽。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。