基于光學超晶格和波導光路的量子光源芯片的制作方法
【專利摘要】一種基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，采用波導光路和光學超晶格、電光調制器的集成，波導光路通過波導分束器將進入的經(jīng)典抽運激光分束，分束后的激光進入光學超晶格區(qū)域進行頻率下轉到得到糾纏光子對，糾纏光子對隨后繼續(xù)進入干涉儀進行量子干涉；干涉儀的相位由芯片上內置的電光調制器來控制，通過電壓調節(jié)得到幾種不同的量子態(tài)。
【專利說明】基于光學超晶格和波導光路的量子光源芯片

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及量子信息技術、光電子技術和非線性光學領域，尤其是用集成光學技 術和思路來實現(xiàn)芯片化的量子光源。

【背景技術】
[0002] 糾纏是量子通信、量子計算等量子信息技術中的核心資源。所以如何制備糾纏光 源，特別是可調控、高效、穩(wěn)定、便攜的糾纏光源一直是量子信息領域的研究難點和熱點。歷 史上產(chǎn)生糾纏光子對的方法有：（1)原子級聯(lián)躍遷[1];(2)原子系統(tǒng)中的四波混頻過程
[2] ; (3)硅基[3, 4]或光纖中[5, 6]的四波混頻過程；(4)二階非線性晶體中的光學參量 下轉換過程[7, 8]。其中原子級聯(lián)躍遷過程在量子光學實驗初期被采用，后來因為其產(chǎn)生 的態(tài)不夠理想而被放棄?，F(xiàn)在人們多采用后面三種方案，而其中基于非線性晶體的二階參 量過程由于其產(chǎn)率高、裝置簡單成當前產(chǎn)生糾纏光子對最普遍的方法。在二階非線性晶體 中，一個高頻抽運光子會劈裂為一對低頻的下轉換光子，分別稱為信號光子和閑置光子，也 稱糾纏光子對。該過程需要滿足能量守恒和動量守恒條件。按照動量守恒的實現(xiàn)條件來 分，產(chǎn)生糾纏光子對的非線性晶體分為兩類，一類是均勻的雙折射晶體，另一種是光學超晶 格。光學超晶格就是鈮酸鋰、鉭酸鋰等疇結構受到調制的人工非線性晶體，因為可以利用它 的較大非線性系數(shù)，所以它可以產(chǎn)生高亮度的糾纏光子對[9-12]。特別是，加工成波導之后 可以進一步提商廣生效率[13, 14]。
[0003] 但是無論是雙折射晶體、光學超晶格體塊材料還是波導結構，一塊晶體往往只能 產(chǎn)生一種糾纏光源，而且在非線性晶體前后往往需要很多其他的光學元件來實現(xiàn)對泵浦 光以及產(chǎn)生光子對的處理和收集等，導致糾纏光源產(chǎn)生光路一般都較為復雜、龐大、不易穩(wěn) 定、不具有很好的功能擴展能力。
[0004] 參考資料：
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[0015] 11.M.C.Booth,M.Atatiire,G.DiGiuseppe,B.E.A.Saleh,A.V.Sergienko,and M.C.Teich,Phys.Rev.A66, 023815 (2002).
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[0017] 13.S.Tanzilli,H.DeRiedmatten,H.Tittel,H.Zbinden,P.Baldi,M.De Micheli,D.B.Ostrowsky,andN.Gisin,Electron.Lett. 37, 26 (2001).
[0018] 14.K.Sanaka,K.Kawahara,andT.Kuga,Phys.Rev.Lett. 86, 5620 (2001).
[0019] 15.A.Kanno,T.Sakamoto,A.Chiba,T.Kawanishi,K.Higuma,M.Sudou,and J.Ichikawa,IEICEElectron.Express7,817 (2010).


【發(fā)明內容】

[0020] 本發(fā)明目的是解決上面所提到的問題，提供一種基于光學超晶格波導的量子光源 芯片的設置方法及提供一種芯片化的糾纏光源，利用集成光學的思路和技術來提升糾纏光 源的擴展性、集成度、穩(wěn)定性、便攜性等。
[0021] 本發(fā)明的技術方案是：一種基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，采 用波導光路和光學超晶格、電光調制器的集成，波導光路通過波導分束器將進入的激光進 行分束，分束后的激光進入光學超晶格區(qū)域進行頻率下轉到得到糾纏光子對，糾纏光子對 隨后繼續(xù)進入干涉儀進行量子干涉。干涉儀的相位由芯片上內置的電光調制器來控制，通 過電壓調節(jié)得到幾種不同的量子態(tài)。
[0022] 本發(fā)明的主要內容是以鈮酸鋰等鐵電材料為基質材料進行波導加工并對部分區(qū) 域進行極化，使得該芯片同時實現(xiàn)糾纏光子的產(chǎn)生和干涉，將輸入的經(jīng)典光光轉化為可 調控的量子態(tài)，不同的量子態(tài)通過集成在芯片上的電光調制器完成；整個芯片依次分為 三個區(qū)域，區(qū)域I是對經(jīng)典激光的處理，主要是對抽運光（經(jīng)典激光）的分束和相位調 制，區(qū)域II是非線性區(qū)，上下兩路中的光學超晶格結構將抽運光轉化為簡并的糾纏光子 對；光子對從上路或下路產(chǎn)生，組成一個路徑聚束態(tài)

【權利要求】
1. 一種基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其特征是采用波導光路和光 學超晶格、電光調制器的集成，波導光路通過波導分束器將進入的經(jīng)典抽運激光分束，分束 后的激光進入光學超晶格區(qū)域進行頻率下轉到得到糾纏光子對，糾纏光子對隨后繼續(xù)進入 干涉儀進行量子干涉；干涉儀的相位由芯片上內置的電光調制器來控制，通過電壓調節(jié)得 到幾種不同的量子態(tài)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其特征是 在鈮酸鋰等鐵電材料為基質材料的單片晶體上加工出波導干涉光路并對部分區(qū)域進行疇 反轉；整個芯片依次分為三個區(qū)域，區(qū)域I是對經(jīng)典激光的處理，對抽運光的分束和相位調 制，區(qū)域II是疇反轉區(qū)，也稱非線性區(qū)，可以將上下兩路抽運光轉化為簡并的糾纏光子對， 光子對從上光路或下光路產(chǎn)生，組成一個路徑聚束態(tài)+ 區(qū)域III是對 糾纏光子的處理，在波導分束器上實現(xiàn)糾纏光子的Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉。如果II區(qū) 域產(chǎn)生的路徑聚束態(tài)中上下兩光路相位相同，那么該聚束態(tài)經(jīng)由HOM干涉后得到分離態(tài)，
濾波單元，糾纏光子通過倏逝波耦合到更外側的兩根波導，泵浦光保留到原來波導中。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其特征 是在Z-切鈮酸鋰基片上制備波導光路、非線性區(qū)的周期極化區(qū)域和對糾纏光子的處理干 涉區(qū)；設有光纖（2)將抽運激光輸入波導光路的第一波導（3);然后經(jīng)波導Y-分束器分別 輸入第二與第三波導（4、5);第一至第三波導都是針對抽運激光波長的波導；第二第三波 導的夾角小于1° ;之后設有第一與第二過渡波導分別將第一與第二抽運光波導的光轉換 到參量光波長的第一與第二單模波導（13、14);在第一與第二抽運光波導（6、7)上有三個 電極（8、9、10)，用來調節(jié)兩路泵浦光之間的相位差；第四與第五波導（13、14)所在區(qū)域是 周期極化區(qū)域，將抽運光轉化為糾纏光子對；之后光子對到達波導分束器進行干涉，波導分 束器中第一與第二平行波導（16、17)的間隔和長度設計為半個耦合長度；干涉后的路徑糾 纏光子對在第六與第七波導（32、33)中，第六與第七波導分別連接拐彎波導和直波導；第 六與第七波導后面分別級聯(lián)了一個波導濾波器，濾波器中的第一與第二平行波導區(qū)（18和 22)使得參量光子從第六波導（32)轉移拐彎波導（34)進而到直波導（24)中，平行波導（19 和23)使得參量光子從第七波導33轉移到拐彎波導（35)進而到直波導（25)中。
4. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其 特征是在波導光路中設置光學超晶格區(qū)域，所述光學超晶格包含一維周期結構、非周期結 構、啁啾結構等所有一維極化序列以及其他可能的二維序列，光學超晶格區(qū)域發(fā)生的參量 下轉換過程包括簡并和非簡并兩種情形，產(chǎn)生糾纏光子；波導干涉儀能夠對產(chǎn)生的糾纏光 子進行進一步處理，通過干涉等方法得到多種量子態(tài)，波導干涉儀包括Hong-Ou-Mandel干 涉儀、Mach-Zehnder干涉儀、Michelson干涉儀或Franson干涉儀等以及由這些基本干涉儀 組成的復雜光路。
5. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其 特征是加工波導光路的方法包括質子交換方法、鈦擴散方法以及機械加工方法。
6. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其 特征是基于光學超晶格波導的量子光源芯片上通過電光效應來控制光子相位，電光效應可 以施加在芯片內其他等效區(qū)域；電壓施加采用推挽結構，在一路上增加相位的同時另一路 等量減小。
7. 根據(jù)權利要求1-3之一所述的基于光學超晶格波導的量子光源芯片的設置方法，其 特征是波導材料包括可以進行極化的鈮酸鋰材料、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等鐵電材料。
8. 根據(jù)權利要求1-7之一所述的設置方法得到的基于光學超晶格波導的量子光源芯 片。
【文檔編號】G02F1/35GK104330938SQ201410551173
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權日:2014年10月16日
【發(fā)明者】徐平, 金華, 祝世寧 申請人:南京大學