專利名稱：偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種即插即用的偏振糾纏雙光子產(chǎn) 生系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
量子信息科學(xué)技術(shù)是量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合發(fā)展起來的交叉學(xué)科，近年來受 到了廣泛的關(guān)注和研究。由于采用量子系統(tǒng)作為信息的載體，量子信息在通信和計算等科 技領(lǐng)域有著經(jīng)典信息技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢和前景，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
光量子系統(tǒng)具有不易與外部物理環(huán)境耦合，便于通過量子通道進行可靠、高速和 高效傳送的特點。因此，以光量子作為量子信息的載體成為人們的研究量子信息的重要技 術(shù)手段。實現(xiàn)光量子輸出的物理器件稱為量子光源，主要包括單光子源和糾纏雙光子源兩 類。其中，糾纏雙光子是實現(xiàn)量子信息功能所需的重要量子資源。常見的雙光子間糾纏形式 包括動量和位置、時間和能量、時間片、偏振態(tài)、頻率以及光場的正交振幅和位相信息等。 在量子信息技術(shù)應(yīng)用中，由于光子的偏振態(tài)易于控制和轉(zhuǎn)換，使得偏振糾纏雙光子被廣泛 使用。因此，產(chǎn)生偏振糾纏雙光子的偏振糾纏量子光源成為量子信息技術(shù)中的關(guān)鍵功能單J Li ο
利用非線性光學(xué)材料中自發(fā)的非線性光學(xué)過程可以實現(xiàn)偏振糾纏量子光源。光 纖是一種很好的非線性光學(xué)材料，這主要得益于它的低損耗和單空間模式特性。利用光纖 中自發(fā)的四波混頻過程，人們已經(jīng)實現(xiàn)了光通信波段偏振糾纏雙光子的產(chǎn)生。使用的光纖 可分為沒有雙折射的光纖和具有雙折射的光纖兩類。沒有雙折射的光纖，如色散位移光纖， 利用它產(chǎn)生偏振糾纏雙光子需要借助輔助的光路結(jié)構(gòu)，比如時分復(fù)用裝置和偏振多樣性環(huán) 路，這些附加裝置每次開機都需要精細調(diào)整，不利于進一步實用化發(fā)展。近年來，我們提出 了直線型全保偏光纖偏振糾纏產(chǎn)生雙光子的方案，其可以避免使用輔助的光路結(jié)構(gòu)，進一 步推進光纖基偏振糾纏量子光源的實用化；但在該方案中，由于光纖雙折射帶來的走離導(dǎo) 致產(chǎn)生偏振糾纏量子態(tài)的退相干，因此該方案需要對雙折射的走離進行精細的補償，使光 纖基偏振糾纏量子光源的生成增加了困難。
因此，現(xiàn)有技術(shù)仍有待于改進。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，其不需要依靠 任何偏振態(tài)調(diào)整裝置，且開機不必附加調(diào)整操作，具有即插即用的特點。
為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)
本發(fā)明提供一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，包括有
泵浦光發(fā)生裝置，用于生成脈沖泵浦光，并將其輸入至全保偏光纖非線性環(huán)形光 路；
全保偏光纖非線性環(huán)形光路，由帶保偏尾纖的偏振分/合束器和非線性光纖媒質(zhì)構(gòu)成，所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器的一輸出端與非線性光纖媒質(zhì)的一端熔接，所述 帶保偏尾纖的偏振分/合束器的另一輸出端與非線性光纖媒質(zhì)的另一端熔接；
所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路使所述泵浦光分別沿順時針和逆時針方向，獨立 激發(fā)自發(fā)的四波混頻過程，產(chǎn)生具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子；
分光濾波裝置，用于對剩余泵浦光及所述具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子進行 分離，得到偏振糾纏雙光子。
優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進一步包括帶保偏尾纖的環(huán)形器，該帶保偏尾纖的環(huán)形器有三 個端口，其第一端口連接所述泵浦光發(fā)生裝置，其第二端口連接所述帶保偏尾纖的偏振分/ 合束器的公共端，其第三端口連接所述分光濾波裝置的輸入端。
優(yōu)選的，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光與所述帶保偏尾纖的偏振分/合 束器呈45度夾角。
優(yōu)選的，所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路進一步用于濾除所述信號和閑頻雙光子 產(chǎn)生的部分拉曼噪聲光子。
優(yōu)選的，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光具有大于120分貝的邊帶抑制特性。
優(yōu)選的，所述泵浦光發(fā)生裝置進一步包括
脈沖光源，用于輸出脈沖泵浦光；
可調(diào)光學(xué)衰減器，用于調(diào)節(jié)所述脈沖泵浦光的功率；
起偏器，用于將所述可調(diào)光學(xué)衰減器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化為線偏 振；
偏振控制器，用于調(diào)整經(jīng)所述起偏器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)，并將調(diào)整后 的脈沖泵浦光輸出至所述帶保偏尾纖的環(huán)形器的第一端口。
優(yōu)選的，所述偏振控制器為可旋轉(zhuǎn)的半波片，該可旋轉(zhuǎn)的半波片由光纖繞制而 成；
或所述偏振控制器為可旋轉(zhuǎn)的半波片，該可旋轉(zhuǎn)的半波片為帶光纖接口輸出封裝 的晶體材料半波片。
優(yōu)選的，所述非線性光纖媒質(zhì)為保偏的石英光纖、保偏的微結(jié)構(gòu)石英光纖、保偏 的光子晶體石英光纖或保偏的硫化物光纖。
優(yōu)選的，所述分光濾波裝置為通帶隔離度大于120分貝的多端口濾波器或濾波器組合。
優(yōu)選的，所述分光濾波裝置為環(huán)形器加光纖光柵、鍍膜型光學(xué)濾波器、微機電系統(tǒng) 光學(xué)濾波器、法布里-珀羅光學(xué)濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器、密集光波分復(fù)用器件以及光 波分復(fù)用器件中的一種或任意種的組合。
本發(fā)明通過提供一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，不需要依靠任何偏振態(tài)調(diào)整裝 置，且開機不必附加調(diào)整操作，具有即插即用、噪聲更低的特點，提供能夠在常溫下工作的 高質(zhì)量的偏振糾纏雙光子，可廣泛用于量子光學(xué)和量子信息學(xué)等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，如 量子網(wǎng)絡(luò)，量子保密通信，量子計算以及光與原子的相互作用等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明一實施例中的全保偏光纖非線性環(huán)形光路示意圖2為本發(fā)明一實施例中產(chǎn)生偏振糾纏雙光子的結(jié)構(gòu)不意圖3為本發(fā)明一實施例中偏振糾纏雙光子的層析檢測裝置示意圖。
具體實施方式
下面對于本發(fā)明所提出的一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，結(jié)合附圖和實施例詳細 說明。
如圖1所示，本發(fā)明的核心思想在于利用全保偏光纖非線性環(huán)形光路中，順時針 和逆時針方向獨立激勵的自發(fā)的四波混頻過程，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)的產(chǎn)生；利用所述全保 偏光纖非線性環(huán)形光路中帶有保偏尾纖的偏振分/合束器6，將產(chǎn)生的所述關(guān)聯(lián)雙光子態(tài) 映射為偏振方向相互正交的兩個關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)，并將它們在時空上相干疊加，產(chǎn)生具有糾 纏特性的信號和閑頻雙光子；同時，利用帶保偏尾纖的偏振分/合束器6的偏振濾波作用， 濾除所述信號和閑頻雙光子產(chǎn)生的部分拉曼噪聲光子。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，包括有
泵浦光發(fā)生裝置，用于生成脈沖泵浦光，并將其輸入至全保偏光纖非線性環(huán)形光 路；
全保偏光纖非線性環(huán)形光路，由帶保偏尾纖的偏振分/合束器6和非線性光纖媒 質(zhì)7構(gòu)成，所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器6的一輸出端與非線性光纖媒質(zhì)7的一端熔 接，所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器6的另一輸出端與非線性光纖媒質(zhì)7的另一端熔接；
所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路使所述泵浦光分別沿順時針和逆時針方向，獨立 激發(fā)自發(fā)的四波混頻過程，產(chǎn)生具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子；
分光濾波裝置8，用于對剩余泵浦光及所述具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子進 行分離，得到偏振糾纏雙光子。
其中，所述脈沖泵浦光通過帶保偏尾纖的偏振分/合束器6后，分成等功率的兩束 線偏振光，分別沿順時針和逆時針方向注入所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路中，并且兩方 向的脈沖泵浦光偏振方向都平行于保偏的非線性光纖媒質(zhì)7的某一雙折射主軸方向(如快 軸方向)；沿順時針和逆時針方向傳播的脈沖泵浦光，分別在該兩方向上獨立激發(fā)自發(fā)的四 波混頻過程，產(chǎn)生信號和閑頻關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)，該信號和閑頻關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)具有相同的偏振 方向；沿著所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路傳輸一圈后，所述信號和閑頻關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)以 及剩余的脈沖泵浦光再次進入帶保偏尾纖的偏振分/合束器6中，將產(chǎn)生的所述信號和閑 頻關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)映射為偏振方向相互正交的兩個關(guān)聯(lián)雙光子態(tài)，并通過偏振合波過程將它 們在時空上相干疊加，形成具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子。
優(yōu)選的，所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路進一步用于濾除所述信號和閑頻雙光子 產(chǎn)生的部分拉曼噪聲光子。帶保偏尾纖的偏振分/合束器6利用其偏振濾波作用，濾除在 保偏的非線性光纖媒質(zhì)7另一雙折射主軸方向上(如慢軸方向)產(chǎn)生的拉曼噪聲光子。
優(yōu)選的，如圖2所示，所述系統(tǒng)進一步包括帶保偏尾纖的環(huán)形器5，該帶保偏尾纖 的環(huán)形器有三個端口，其第一端口連接所述泵浦光發(fā)生裝置，其第二端口連接所述帶保偏 尾纖的偏振分/合束器6的公共端，其第三端口連接所述分光濾波裝置8的輸入端。
優(yōu)選的，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光與所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器6呈45度夾角。
優(yōu)選的，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光具有大于120分貝的邊帶抑制特性。
優(yōu)選的，如圖2所示，所述泵浦光發(fā)生裝置進一步包括
脈沖光源1，用于輸出脈沖泵浦光；所述脈沖光源I可由被動鎖模激光器、主動鎖 模激光器、被動調(diào)Q激光器、主動調(diào)Q激光器、直調(diào)半導(dǎo)體激光器、具有增益開關(guān)效應(yīng)的脈沖 半導(dǎo)體激光器、以及外調(diào)制半導(dǎo)體激光器提供。
可調(diào)光學(xué)衰減器2，用于調(diào)節(jié)所述脈沖泵浦光的功率；所述可調(diào)衰減器2可以是任 何光纖擠壓或鍍膜形式的可調(diào)衰減器。
起偏器3，用于將所述可調(diào)光學(xué)衰減器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化為線偏 振；所述起偏器3是任何能夠形成特定光偏振態(tài)的光學(xué)器件,可為光纖偏振分束器、鍍金屬 的光纖起偏器、或光學(xué)晶體偏振分光棱鏡等。
偏振控制器4，用于調(diào)整經(jīng)所述起偏器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)，并將調(diào)整后 的脈沖泵浦光輸出至所述帶保偏尾纖的環(huán)形器的第一端口 ；所述偏振控制器4為可旋轉(zhuǎn)的 半波片，該可旋轉(zhuǎn)的半波片由光纖繞制而成；或為帶光纖接口輸出封裝的晶體材料半波片。
優(yōu)選的，所述非線性光纖媒質(zhì)7為保偏的石英光纖、保偏的微結(jié)構(gòu)石英光纖、保 偏的光子晶體石英光纖或保偏的硫化物光纖以及其他材料的保偏非線性光纖等。
優(yōu)選的，所述分光濾波裝置8為通帶隔離度大于120分貝的多端口濾波器或濾波 器組合；可為環(huán)形器加光纖光柵、鍍膜型光學(xué)濾波器、微機電系統(tǒng)MEMS光學(xué)濾波器、法布 里-珀羅光學(xué)濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器、粗光波分復(fù)用器件以及密集光波分復(fù)用器件 中的一種或任意種的組合。
以下通過一具體實施例進一步說明偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全保偏 的特性
所述脈沖光源I輸出脈沖泵浦光的功率和偏振狀態(tài)，分別由可調(diào)光學(xué)衰減器2、起 偏器3和旋轉(zhuǎn)的半波片4控制；緊接著，輸入到帶有保偏尾纖的環(huán)形器5的第一端口中；并 從帶有保偏尾纖的環(huán)形器5的第二端口輸出；該帶有保偏尾纖的環(huán)形器5的第二端口和帶 保偏尾纖的偏振分/合束器6的公共端連接在一起。帶保偏尾纖的偏振分/合束器6的兩 個輸出端和一段保偏的非線性光纖媒質(zhì)7熔接在一起，構(gòu)成全保偏光纖非線性環(huán)形光路。 在全保偏光纖非線性環(huán)形光路中產(chǎn)生的偏振糾纏雙光子以及剩余脈沖泵浦光，從帶保偏尾 纖的環(huán)形器5的第三端口輸出，直接進入到分光濾波裝置8中。經(jīng)過分光濾波裝置8后，可 以實現(xiàn)剩余脈沖泵浦光、具有偏振糾纏特性的信號光和閑頻光的分離。所述偏振糾纏雙光 子對于脈沖泵浦光的隔離度大于120分貝。
本實施例選取的保偏的非線性光纖媒質(zhì)7為保偏的色散位移光纖，其具體參數(shù)如 表I所示。
表I
權(quán)利要求
1.一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng),其特征在于,包括有 泵浦光發(fā)生裝置，用于生成脈沖泵浦光，并將其輸入至全保偏光纖非線性環(huán)形光路； 全保偏光纖非線性環(huán)形光路，由帶保偏尾纖的偏振分/合束器和非線性光纖媒質(zhì)構(gòu)成，所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器的ー輸出端與非線性光纖媒質(zhì)的一端熔接，所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器的另ー輸出端與非線性光纖媒質(zhì)的另一端熔接； 所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路使所述泵浦光分別沿順時針和逆時針方向，獨立激發(fā)自發(fā)的四波混頻過程，產(chǎn)生具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子； 分光濾波裝置，用于對剩余泵浦光及所述具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子進行分離，得到偏振糾纏雙光子。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進ー步包括帶保偏尾纖的環(huán)形器，該帶保偏尾纖的環(huán)形器有三個端ロ，其第一端ロ連接所述泵浦光發(fā)生裝置，其第二端ロ連接所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器的公共端，其第三端ロ連接所述分光濾波裝置的輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光與所述帶保偏尾纖的偏振分/合束器呈45度夾角。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述全保偏光纖非線性環(huán)形光路進ー步用于濾除所述信號和閑頻雙光子產(chǎn)生的部分拉曼噪聲光子。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述泵浦光發(fā)生裝置生成的脈沖泵浦光具有大于120分貝的邊帶抑制特性。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述泵浦光發(fā)生裝置進ー步包括 脈沖光源，用于輸出脈沖泵浦光； 可調(diào)光學(xué)衰減器，用于調(diào)節(jié)所述脈沖泵浦光的功率； 起偏器，用于將所述可調(diào)光學(xué)衰減器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化為線偏振； 偏振控制器，用于調(diào)整經(jīng)所述起偏器調(diào)整后的脈沖泵浦光的偏振態(tài)，并將調(diào)整后的脈沖泵浦光輸出至所述帶保偏尾纖的環(huán)形器的第一端ロ。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振控制器為可旋轉(zhuǎn)的半波片，該可旋轉(zhuǎn)的半波片由光纖繞制而成； 或所述偏振控制器為可旋轉(zhuǎn)的半波片，該可旋轉(zhuǎn)的半波片為帶光纖接ロ輸出封裝的晶體材料半波片。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性光纖媒質(zhì)為保偏的石英光纖、保偏的微結(jié)構(gòu)石英光纖、保偏的光子晶體石英光纖或保偏的硫化物光纖。
9.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分光濾波裝置為通帶隔離度大于120分貝的多端ロ濾波器或濾波器組合。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分光濾波裝置為環(huán)形器加光纖光柵、鍍膜型光學(xué)濾波器、微機電系統(tǒng)光學(xué)濾波器、法布里-珀羅光學(xué)濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器、密集光波分復(fù)用器件以及光波分復(fù)用器件中的ー種或任意種的組合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏振糾纏雙光子產(chǎn)生系統(tǒng)，包括有泵浦光發(fā)生裝置，用于生成脈沖泵浦光，并將其輸入至全保偏光纖非線性環(huán)形光路；全保偏光纖非線性環(huán)形光路，由帶保偏尾纖的偏振分/合束器和非線性光纖媒質(zhì)構(gòu)成，使所述泵浦光分別沿順時針和逆時針方向，獨立激發(fā)自發(fā)的四波混頻過程，產(chǎn)生具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子；分光濾波裝置，用于對剩余泵浦光及所述具有糾纏特性的信號和閑頻雙光子進行分離，得到偏振糾纏雙光子。本發(fā)明不需要依靠任何偏振態(tài)調(diào)整裝置，且開機不必附加調(diào)整操作，具有即插即用、噪聲更低的特點，提供能夠在常溫下工作的高質(zhì)量的偏振糾纏雙光子。
文檔編號G02F1/35GK103034015SQ20121058720
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者張巍, 周強, 黃翊東, 彭江得 申請人:清華大學(xué)