一种渐变折射率的超构材料及其纠缠光子对产生系统

摘要

本发明提出的一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统，属于量子信息领域。超构材料包括多个周期性排布的介质柱阵列，当满足以下条件：每行内，各介质柱的直径或宽度沿所在行呈规律性变化、各介质柱的周期沿所在行呈规律性变化或保持不变；每列内，介质柱直径、周期均保持不变时，超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零。纠缠光子对产生系统包括折射率渐变的超构材料、两个窄带连续可调谐激光器、两个偏振控制器、分束器、光放大器、陷波滤波器、带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪。本发明从物理上实现了超构材料的折射率渐变，且与集成光学结合，具有低损耗、CMOS兼容的特性。

权利要求

1.一种基于渐变折射率超构材料的纠缠光子对产生系统，其特征在于，包括：渐变折射率的超构材料；

第一窄带连续可调谐激光器和第二带连续可调谐激光器，分别用于产生不同波长的泵浦光；

第一偏振控制器和第二偏振控制器，分别与所述第一窄带连续可调谐激光器和所述第二带连续可调谐激光器相连，用于将对应波长的泵浦光调节到所述渐变折射率的超构材料所对应的偏振态；

分束器，同时与所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

与所述分束器输出端依次相连的光放大器和陷波滤波器，分别用于将所述分束器输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；

位于所述陷波滤波器出射光路一侧的所述渐变折射率的超构材料，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；

位于所述渐变折射率的超构材料出射光路一侧依次相连的带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪；其中，所述带通滤波器用于滤除经渐变折射率的超构材料出射光中的部分泵浦光；所述阵列波导光栅用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；所述单光子探测器与时间间隔分析仪用于测量光子对符合计数率；

所述渐变折射率的超构材料，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；

所述介质柱阵列中，设该介质柱阵列沿y轴的周期保持不变，沿x轴的周期为ai，沿x轴的介质柱直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期构成的矩形的几何中心重合；当ai和di分别满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：ai＝a0ηi

di＝d0ηi

其中，

角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零和正之间变化时，介质柱的列号为负；

η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；

a0为等效折射率的实部为零的列的周期，0.1λ0≤a0≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥

100nm；

d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，0.2a0≤d0≤a0；

所述介质柱选用氧化铝、硫化镉、金刚石、砷化镓、锗、氟化锂、铌酸锂、硅、二氧化钛或硒化锌制成的晶体。

2.根据权利要求1所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述渐变折射率的超构材料由以下渐变折射率的超构材料替换：包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；

设所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；设介质柱沿x轴的直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的直径相等；

当di满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：di＝d0ηi

其中：

角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零到正之间变化时，介质柱的列号为负；

η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；

d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，

3.根据权利要求2所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述超构材料内介质柱阵列的排布形式为正三角形、正方形或正六边形。

4.根据权利要求1、2或3所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述超构材料为片上渐变折射率的超构材料，是通过在绝缘衬底表面加工长度在亚波长范围内的介质柱制得。

5.根据权利要求4所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述超构材料的工作频率包括紫外、可见光、红外或太赫兹。

6.根据权利要求4所述的纠缠光子对产生系统，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器。

说明书

一种渐变折射率的超构材料及其纠缠光子对产生系统

技术领域

[0001] 本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统。

背景技术

[0002] 量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，利用量子力学系统可实现新形式的通信、计算和测量。两个光子相互纠缠形成的纠缠光子对具有如下物理特性：当两个光子互相纠缠，无论这两个光子相距多远，通过对其中一个光子的测量都可以在瞬时得到另一个光子的状态。为了大规模的实现量子信息系统，亟需可靠、合算的纠缠光子源。进一步地，集成纠缠光子源可将光量子态的产生小型化并集成到芯片上，因此得到长足的发展。

[0003] 在集成量子光学中，产生纠缠光子的物理过程之一是非线性材料中的参量过程(比如自发四波混频)，其具有以下优点：纠缠度高、发射波长灵活、在室温下工作，因此得到了广泛的应用。常见基于自发四波混频的集成纠缠光子对发生器包括直纳米波导、微腔、螺5 -
旋波导(表1)，存在以下不足：泵浦功率高(耦合泵浦功率1mW时至多产生谱亮度～5×10s
1nm-1)、器件尺寸大(纠缠光子对发生器尺寸大于300μm2)。例如，对于直纳米波导，为了在一定失谐量(泵浦与闲置光子之间的波长差)内实现高转换效率，其长度要大于一定的相干长度(百毫米到厘米量级)。

[0004]物理机制 尺寸 泵浦功率
直纳米波导 大 高
微腔 中 低
螺旋波导 中 低

[0005] 表1.对比基于自发四波混频产生纠缠光子对的几种片上结构

[0006] 大部分超构材料是由亚波长单元结构排列在周期或准周期上的复合材料。通过工程设计超构材料的结构，其可呈现出自然界中不存在或不易获得的材料性质，包括负折射率、零折射率、光波段的磁响应等。目前，超构材料主要用于隐身、传感、成像、波束扫描和全息成像等领域。

[0007] 渐变折射率媒质的折射率沿光传播方向逐渐由正变负。当光波在渐变超构材料中以高透射率传播时，其对应的电场分量持续增大，并在折射率过零的区域发散。与常规局域场增强方法(包括介质透镜、Fabry-Pérot标准具、介质谐振腔、表面等离子体)相比，基于渐变折射率媒质的局域场增强具有损耗小、对场限制强的优点。但是，现有渐变折射率媒质仅仅是基于折射率连续变化的数学模型，还无法在物理上实现，具体体现在：实现渐变折射率媒质需要折射率接近零的材料，并且光必须能够从常规材料透射进该零折射率材料，而自然界中不存在符合这两个条件的材料。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统。本发明通过控制超构材料内各介质柱的排布及结构尺寸，使得超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零，由本发明超构材料构成的纠缠光子对产生系统具有泵浦功率低、尺寸小的优点。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0010] 本发明提出的一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；

[0011] 所述介质柱阵列中，设该介质柱阵列沿y轴的周期保持不变，沿x轴的周期为ai，沿x轴的介质柱直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期构成的矩形的几何中心重合；当ai和di分别满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：

[0012] ai＝a0ηi

[0013] di＝d0ηi

[0014] 其中，

[0015] 角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零和正之间变化时，介质柱的列号为负；

[0016] η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；

[0017] a0为等效折射率的实部为零的列的周期，0.1λ0≤a0≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；

[0018] d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，0.2a0≤d0≤a0。

[0019] 本发明提出的另一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；

[0020] 设所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；设介质柱沿x轴的直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的直径相等；

[0021] 当di满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：

[0022] di＝d0ηi

[0023] 其中：

[0024] 角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零到正之间变化时，介质柱的列号为负；

[0025] η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；

[0026] d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，

[0027] 本发明还提出一种由上述渐变折射率的超构材料构成的纠缠光子对产生系统，其特征在于，包括：

[0028] 第一窄带连续可调谐激光器和第二带连续可调谐激光器，分别用于产生不同波长的泵浦光；

[0029] 第一偏振控制器和第二偏振控制器，分别与所述第一窄带连续可调谐激光器和所述第二带连续可调谐激光器相连，用于将对应波长的泵浦光调节到上述折射率渐变的超构材料所对应的偏振态；

[0030] 分束器，同时与所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

[0031] 与所述分束器输出端依次相连的光放大器和陷波滤波器，分别用于将所述分束器输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；

[0032] 位于所述陷波滤波器出射光路一侧的所述折射率渐变的超构材料，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；

[0033] 位于所述折射率渐变的超构材料出射光路一侧依次相连的带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪；其中，所述带通滤波器用于滤除经折射率渐变的超构材料出射光中的部分泵浦光；所述阵列波导光栅用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；所述单光子探测器与时间间隔分析仪用于测量光子对符合计数率。

[0034] 本发明的特点及有益效果：

[0035] 本发明公布了一种渐变折射率媒质的物理实现方式：通过沿光传播方向逐渐改变片上狄拉克锥超构材料的单元结构尺寸来实现渐变折射率，且将狄拉克锥超构材料与集成光学结合，可在片上实现低损耗、CMOS兼容的渐变折射率超构材料。该方式基于全电介质结构，从而避免了欧姆损耗。该方式可将电场或磁场聚集到折射率过零的一条宽度无限窄的带状区域，极强地增强局域场。结合该局域场增强效应和非线性晶体较大的三阶非线性系数，可提高自发四波混频产生纠缠光子对的转换效率，实现低泵浦功率-紧凑集成纠缠光子对产生系统。

附图说明

[0036] 图1是本发明实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-负。

[0037] 图2是本发明实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-正。

[0038] 图3是本发明实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为负-零-正。

[0039] 图4是本发明实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为负-零-负。

[0040] 图5是本发明实施例2的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-负。

[0041] 图6是本发明实施例3的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-负。

[0042] 图7是由图1～图6中任意一种折射率渐变的超构材料构成的纠缠光子对产生系统的结构示意图。

[0043] 图8是图7中的超构材料中z向电场幅度分布图。

具体实施方式

[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

[0045] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

[0046] 下面参照附图，对本发明的具体实施例做出进一步说明：

[0047] 本发明提出的折射率渐变的超构材料，具有多种实现方式，分别参见实施例1～实施例3。

[0048] 实施例1

[0049] 参见图1～图4，本实施例的一种折射率渐变的超构材料，包括多个周期性排布的介质柱阵列8，各介质柱阵列8呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱81组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形(如，可为正三角形、正方形、正六边形等)；将平行于介质柱阵列8的行和列的方向分别作为x轴、y轴，光入射方向k与x轴之间的角度为θ，0≤θ≤90°；介质柱阵列8中，设该介质柱阵列沿y轴的周期b(即行间距)保持不变，沿x轴的周期和介质柱直径分别为ai和di(图中附图标记ri表示的是介质柱半径，且di＝2ri)，同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期b构成的矩形B(如图1～图4中位于最左侧的虚线框所示)的几何中心重合，且该介质柱位于矩形B内；当ai和di分别满足以下关系时，介质柱阵列的等效折射率neff的实部逐渐由一变到零再变到一，从而实现超构材料的折射率渐变：

[0050] ai＝a0ηi

[0051] di＝d0ηi

[0052] 其中，

[0053] 角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率neff的实部为零的列，且介质柱阵列(或超构材料)的等效折射率neff的实部在-1～0之间变化时，介质柱的列号为正，介质柱阵列(或超构材料)的等效折射率neff的实部在0～1之间变化时，介质柱的列号为负；

[0054] η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；

[0055] a0为等效折射率neff的实部为零的列的周期，0.1λ0≤a0≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；

[0056] d0为等效折射率neff的实部为零的列中各介质柱的直径，0.2a0≤d0≤a0；

[0057] 参见图1～图4，分别对应本实施例渐变折射率为正-零-负、正-零-正、负-零-正、负-零-负的超构材料。其中，每列介质柱的等效折射率neff区别于组成介质柱材料的折射率n(如何根据介质柱材料的折射率n确定所述等效折射率为本领域的公知技术，此处不做详细说明)。

[0058] 需要说明的是，各介质柱阵列中，不限于如图1～图4所示只含有一列等效折射率neff的实部为零的介质柱的情况，还可根据实际需要设置多列等效折射率neff的实部为零的介质柱，但考虑到，光波在等效折射率neff的实部为零的区域衰减较快，不建议设置多列等效折射率neff的实部为零的介质柱。

[0059] 介质柱可由硅、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、金刚石、铌酸锂、氟化锂、砷化镓、氧化铝、硫化镉或硒化锌等材料组成。介质柱阵列可应用标准平面工艺(主要步骤包括电子束光刻或光刻，反应离子刻蚀)、聚焦离子束、激光直写等微纳加工工艺制备。

[0060] 实施例2

[0061] 参见图5，本实施例与实施例1的不同之处在于，各介质柱阵列8均分别由三个呈正三角形(如图5中三角形虚线框所示，需要说明的是，该三角形虚线框仅为示意图，非按比例绘制)分布的介质柱81组成，且本实施例超构材料中，所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；各介质柱的直径di按照以下公式确定：

[0062] di＝d0ηi

[0063] 其中，d0为等效折射率neff的实部为零的列中各介质柱的直径，其余符号含义均同实施例1。

[0064] 图5所示为折射率按照正-零-负变化的超构材料的结构示意图，对于以正三角形阵列排布的其余三种变化规律的超构材料，可参照图1～图5得出，此处不再赘述。

[0065] 实施例3

[0066] 参见图6，本实施例与实施例1的不同之处在于，各介质柱阵列8均分别由六个呈正六边形(如图6中六边形虚线框所示，需要说明的是，该六角形虚线框仅为示意图，非按比例绘制)分布的介质柱81组成，且本实施例超构材料中，所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；各介质柱的直径di按照以下公式确定：

[0067] di＝d0ηi

[0068] 其中，d0为等效折射率neff的实部为零的列中各介质柱的直径，其余符号含义均同实施例1。

[0069] 图6所示为折射率按照正-零-负变化的超构材料的结构示意图，对于以正六边形阵列排布的其余三种变化规律的超构材料，可参照图1～图4和图6得出，此处不再赘述。

[0070] 对于所有相邻两介质柱中心间距保持不变的情况，除上述实施例2、3所述的以正三角和正六边形阵列排布形式外，还可以为其他形状的阵列，只需满足组成该阵列的所有介质柱都以某种规律排列在与y轴平行的列上，每列的排列规律可以不同，但每列中所有介质柱的尺寸相同。

[0071] 现有渐变折射率媒质基于折射率连续变化的数学模型，不适合物理实现。本发明提出的超构材料，是基于狄拉克锥原理实现渐变折射率。具体为：基于布里渊区中心的一个由电单极子模式和磁偶极子模式偶然简并所形成的类狄拉克锥色散，可在狄拉克点频率附近实现等效介电常数和等效磁导率同时线性过零，对应一个波阻抗为有限值的零折射率。狄拉克锥超构材料可由全电介质结构组成，因此具有低损耗。因为狄拉克锥超构材料的波阻抗为有限值，该材料可与常规媒质(比如空气和波导)阻抗匹配，光可以高效地从常规媒质透射进狄拉克锥超构材料。

[0072] 基于由介质柱方阵所组成的狄拉克锥超构材料，本发明通过沿着阵列的水平方向(即与阵列每行平行的方向)逐渐改变狄拉克锥超构材料的尺寸(包括相邻介质柱的水平方向周期和介质柱直径)来实现渐变折射率。通过该方式，可实现具有正－零－负(图1)、正－零－正(图2)、负－零－正(图3)、负－零－负(图4)渐变折射率的超构材料。

[0073] 本发明还提供一种由上述折射率渐变的超构材料构成的纠缠光子对产生系统，参见图7，该系统包括：

[0074] 第一窄带连续可调谐激光器1和第二带连续可调谐激光器2，分别用于产生波长为λ1和λ2的泵浦光；

[0075] 第一偏振控制器3和第二偏振控制器4，分别与第一窄带连续可调谐激光器1和第二带连续可调谐激光器2相连，用于将波长分别为λ1和λ2的泵浦光调节到折射率渐变的超构材料所对应的偏振态；

[0076] 分束器5，同时与第一偏振控制器3和第二偏振控制器4的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；

[0077] 与分束器5输出端依次相连的光放大器(如可采用掺铒光纤放大器)6和陷波(Notch)滤波器7，分别用于将分束器5输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；

[0078] 位于陷波(Notch)滤波器7出射光路一侧的折射率渐变的超构材料8，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；

[0079] 位于折射率渐变的超构材料8出射光路一侧依次相连的带通滤波器9、阵列波导光栅10、单光子探测器11和时间间隔分析仪12；其中，带通滤波器9用于滤除经折射率渐变的超构材料8出射光中的部分泵浦光；阵列波导光栅10用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；单光子探测器11与时间间隔分析仪12相连接来测量光子对符合计数率——通过统计分析闲置和信号光子相对抵达时间，以检验闲置光子和信号光子是否成对产生，作为验证纠缠的基础。理想情况下，光子对符合计数率应在时间为零处达到峰值——闲置光子和信号光子有很大的几率同时抵达，从而证明闲置光子和信号光子成对产生。

[0080] 为了实现自发四波混频，本实施例系统中的折射率渐变的超构材料8内的各介质柱采用具有较大三阶非线性系数χ(3)的晶体，如：氧化铝、硫化镉、金刚石、砷化镓、锗、氟化锂、铌酸锂、硅、二氧化钛、硒化锌等，通过标准平面工艺(主要步骤包括电子束光刻或光刻，反应离子蚀刻)、聚焦离子束、激光直写、三维打印等常规的微纳加工工艺制备。进一步地，为了减小折射率渐变的超构材料8的尺寸，实现其集成化，可通过常规工艺在绝缘衬底(如绝缘硅衬底)表面加工长度在亚波长范围内的介质柱，制得片上折射率渐变的超构材料。渐变折射率超构材料的工作频率包括紫外、可见光、红外、太赫兹等频段。

[0081] 上述制得片上渐变折射率超构材料的一种实现方式(标准平面工艺)如下：

[0082] 1)在一单晶铌酸锂薄膜晶圆上，使用旋涂仪将光刻胶旋涂在铌酸锂薄膜晶圆表面；

[0083] 2)使用电子束光刻将波导和超构材料的形状写在光刻胶层中；

[0084] 3)使用反应离子蚀刻将未被光刻胶覆盖的铌酸锂层刻蚀掉；

[0085] 4)使用缓冲氧化物蚀刻将铌酸锂顶部的光刻胶刻蚀掉，制得片上渐变折射率超构材料。

[0086] 本发明系统实施例的其余组成器件均为本领域的市售产品，此处不再赘述。

[0087] 本发明纠缠光子对产生系统的工作过程及原理如下：

[0088] 本发明的纠缠光子对产生系统使用两个窄带连续可调谐激光器(1和2)作为泵浦光源，分别通过对应的偏振控制器(3和4)将泵浦光调节到折射率渐变的超构材料8所对应的偏振态后，两束泵浦光通过一个分束器5合并，再通过一个掺铒光纤放大器6放大，然后通过陷波滤波器7来抑制产生光子对波段的放大自发辐射噪声。泵浦光耦合进折射率渐变的超构材料8后，该超构材料基于自发四波混频产生一对纠缠光子。超构材料的输出首先通过一个带通滤波器9以滤除部分泵浦光，再通过一个阵列波导光栅10将单光子与剩余部分泵浦光分隔。最后，利用与时间间隔分析仪12相连接的单光子探测器11来探测输出光子对的纠缠。

[0089] 本发明的纠缠光子对产生系统利用渐变折射率超构材料折射率过零区域极强的局域场，结合构成超构材料的晶体较大的三阶非线性系数，提高自发四波混频的波长转换效率，从而降低泵浦功率、减小器件尺寸。

[0090] 为了验证渐变超构材料的局域场增强效应，图5显示了一个由无数行(仿真时在y方向运用了周期边界条件，因此为无数行)×11列的介质柱构成的折射率渐变(以正-零-正的规律变化)超构材料横截面区域的电场幅度分布(因为每行的电场分布相同，图5只显示了一行)。图5的横坐标为水平位置，纵坐标为垂直位置，图中黑白色代表电场幅度的空间分布(具体幅度值参见右侧的颜色对照条)，图中白色虚线代表组成超构材料的介质柱位置。该折射率渐变超构材料由硅柱组成，以中间单元(即等效折射率的实部为零所在列)的结构参数(位于阵列中轴线处介质柱所在单元的周期为851纳米，硅柱直径342纳米)为基准，通过从中间介质柱向左、右出发以0.95为系数η依次增大下一个介质柱的水平周期和硅柱直径，实现正－零－正渐变折射率。当激励光源工作在1550纳米时，电场幅度在等效折射率的实部为零的中间单元增强到激励光源的38倍。

[0091] 基于折射率渐变超构材料所提供的局域场增强效应，并结合组成超构材料的组分材料较大的三阶非线性系数χ(3)，根据由自发四波混频所产生的非线性极化(假设泵浦、闲置、信号光子频率相同)：

[0092] P＝3ε0χ(3)E2E*

[0093] 其中P是非线性极化，ε0是真空的介电常数，E是泵浦、闲置、信号光的电场幅度，E*是泵浦、闲置、信号光电场的复共轭。渐变折射率超构材料可显著增强非线性极化P，提高自发四波混频产生纠缠光子对的转换效率，从而有效降低泵浦功率。

[0094] 利用折射率渐变超构材料零折射率区域极强的局域场，可在更大的失谐量(超构材料折射率近零的频带范围)内实现更高的转换效率，从而有效地减小器件尺寸，实现低泵浦功率-紧凑纠缠光子对产生系统。

[0095] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。