一种窄带偏振纠缠源制备装置

摘要

本申请提供了一种窄带偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：光源、输入光调整部件、第一偏振分束器、第一分光部件、第二分光部件、第一聚焦部件、第二聚焦部件、波导晶体、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器和计算机。本申请所提供的窄带偏振纠缠源制备装置，能够有效解决现有纠缠源制备装置光谱带宽过大、传播分离以及产率较低的问题。

权利要求

1.一种窄带偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述装置包括：光源(1)、输入光调整部件(2)、第一偏振分束器(3)、第一分光部件(4)、第二分光部件(5)、第一聚焦部件(6)、第二聚焦部件(7)、波导晶体(8)、第二半波片(9)、第三半波片(10)、第四半波片(11)、第二偏振分束器(12)、第三偏振分束器(13)、第一单光子探测器(14)、第二单光子探测器(15)和计算机(16)，所述波导晶体(8)采用周期极化磷酸钛氧钾晶体；

所述光源(1)的输出端与所述输入光调整部件(2)相连接；

所述输入光调整部件(2)包括：第一半波片(21)和相位调整波片组(22)；

所述输入光调整部件(2)的光线传出路径上设有所述第一偏振分束器(3)；

所述第一分光部件(4)设置于所述第一偏振分束器(3)的光透射路径上，所述第二分光部件(5)设置于所述第一偏振分束器(3)的光反射路径上；

所述第二分光部件(5)与所述第一偏振分束器(3)之间设有所述第二半波片(9)；

所述第一分光部件(4)与所述第二分光部件(5)之间设有所述波导晶体(8)；

所述第一分光部件(4)与所述波导晶体(8)之间设有所述第一聚焦部件(6)；所述第二分光部件(5)与所述波导晶体(8)之间设有所述第二聚焦部件(7)；

靠近所述第一分光部件(4)的光线传出侧设有所述第三半波片(10)；靠近所述第二分光部件(5)的光线传出侧设有所述第四半波片(11)；

靠近所述第三半波片(10)的光线传出侧设有所述第二偏振分束器(12)；靠近所述第四半波片(11)的光线传出侧设有所述第三偏振分束器(13)；

靠近所述第二偏振分束器(12)的光线传出侧设有所述第一单光子探测器(14)；靠近所述第三偏振分束器(13)的光线传出侧设有所述第二单光子探测器(15)；

所述第一单光子探测器(14)和所述第二单光子探测器(15)分别与所述计算机(16)相连接。

2.根据权利要求1所述的窄带偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述装置还包括：反射镜(17)；

所述反射镜(17)设置于所述输入光调整部件(2)的光线传出路径上，且所述反射镜(17)的反射光能够进入所述第一偏振分束器(3)。

3.根据权利要求1所述的窄带偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述相位调整波片组(22)包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述相位调整波片组(22)内的所述一个半波片位于所述两个四分之一波片之间。

4.根据权利要求1所述的窄带偏振纠缠源制备装置，其特征在于，所述第一分光部件(4)和所述第二分光部件(5)采用二向色镜。

说明书

一种窄带偏振纠缠源制备装置

[0001] 本申请要求在2019年5月29日提交中国专利局、申请号为201910458456.5、发明名称为“一种窄带偏振纠缠源制备装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合
在本申请中。

技术领域

[0002] 本申请涉及光学设备技术领域，尤其涉及一种窄带偏振纠缠源制备装置。

背景技术

[0003] “纠缠”的概念最早在1932年由爱因斯坦和薛定谔等人提出。纠缠是一个完全的量子现象，用经典物理的理论无法解释，在量子信息学中处于核心地位，并且是量子信息科学
的关键资源。制备稳定纠缠源是现阶段的热门研究领域。近年以来，研究人员已经提出了能
够应用于腔量子电动力学(QED)、原子系综、离子阱、等离子激元、以及光学晶格系统中制备
纠缠态的方案。光子由于其与周边环境相互作用弱，退相干小，且易于传播，是现在广泛应
用的纠缠载体。目前制备纠缠光子源的主要办法是利用同向非线性晶体自发参量下转换过
程，在此过程中，一个泵浦光子湮灭变为彼此相互关联的信号光子和闲频光子。

[0004] 目前，利用体块周期极化晶体进行非线性频率变化产生纠缠光源是本领域的常规做法。该方法简称为准相位匹配(QPM)自发参量下转换(SPDC)方法，相较于其他方法，效率
较高，实施不同的量子操作可实现：偏振，角动量，能量时间等多种维度纠缠。纠缠光源依托
SPDC过程，纠缠源的生成往往是将多个SPDC过程结合起来。SPDC过程基本原理是利用周期
性极化晶体提供倒格矢来补偿SPDC过程中的相位失配，失配量越小，对应晶体的周期越大，
反之亦然。

[0005] 但是，纠缠源是量子应用领域的必要组成部分，其本身多种特性都决定着适用的广泛性，如产生效率，光谱带宽，纠缠方式等。例如在长距离量子通信中，对纠缠光源的光谱
带宽要求很高(GHz)，而目前基于自发参量下转化产生的偏振纠缠源，光谱带宽受限于其物
理机制，常在百GHz到THz量级。以光子‑电子相互作用为基础的量子中继器带宽要求常在
GHz量级，为此通常采用滤波器或者腔增强来对光源进行压窄光谱带宽后处理，但是会带来
光源效率降低和装置复杂等问题。另外，常规下转换过程，信号光与闲频光传播方向相同，
而在纠缠态的分析中需要对两种光其进行分开测量，对于非简并情况(信号光与闲频光波
长不等)下可用二相色镜分开，但是对于简并状态下，就变得很难处理。最后，纠缠产生效率
即产率，也是纠缠光源性能好坏的关键因素，光波导具有模场面积小，能量密度高的优点，
利用极化周期波导进行非线性频率变化能最大程度的提高转化效率。

发明内容

[0006] 本申请提供了一种窄带偏振纠缠源制备装置，以解决现有纠缠源制备装置光谱带宽过大、传播分离以及产率较低的问题。

[0007] 本申请实施例提供了一种窄带偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：光源、输入光调整部件、第一偏振分束器、第一分光部件、第二分光部件、第一聚焦部件、第二聚焦部件、
波导晶体、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一
单光子探测器、第二单光子探测器和计算机；

[0008] 所述光源的输出端与所述输入光调整部件相连接；

[0009] 所述输入光调整部件包括：第一半波片和相位调整波片组；

[0010] 所述输入光调整部件的光线传出路径上设有所述第一偏振分束器；

[0011] 所述第一分光部件设置于所述第一偏振分束器的光透射路径上，所述第二分光部件设置于所述第一偏振分束器的光反射路径上；

[0012] 所述第二分光部件与所述第一偏振分束器之间设有所述第二半波片；

[0013] 所述第一分光部件与所述第二分光部件之间设有所述波导晶体；

[0014] 所述第一分光部件与所述波导晶体之间、所述第二分光部件与所述波导晶体之间分别设有所述第一聚焦部件和所述第二聚焦部件；

[0015] 靠近所述第一分光部件和所述第二分光部件的光线传出侧分别设有所述第三半波片和所述第四半波片；

[0016] 靠近所述第三半波片和所述第四半波片的光线传出侧分别设有所述第二偏振分束器和所述第三偏振分束器；

[0017] 靠近所述第二偏振分束器和所述第三偏振分束器的光线传出侧分别设有所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器；

[0018] 所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器分别与所述计算机相连接。

[0019] 可选地，所述装置还包括：反射镜；

[0020] 所述反射镜设置于所述输入光调整部件的光线传出路径上，且所述反射镜的反射光能够进入所述第一偏振分束器。

[0021] 可选地，所述相位调整波片组包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述半波片位于两个四分之一波片之间。

[0022] 可选地，所述波导晶体采用周期极化磷酸钛氧钾晶体。

[0023] 可选地，所述第一分光部件和所述第二分光部件采用二向色镜。

[0024] 由以上技术可知，本申请提供了一种窄带偏振纠缠源制备装置，所述装置包括：光源、输入光调整部件、第一偏振分束器、第一分光部件、第二分光部件、第一聚焦部件、第二
聚焦部件、波导晶体、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第二偏振分束器、第三偏振分
束器、第一单光子探测器、第二单光子探测器和计算机；所述光源的输出端与所述输入光调
整部件相连接；所述输入光调整部件包括：第一半波片和相位调整波片组；所述输入光调整
部件的光线传出路径上设有所述第一偏振分束器；所述第一分光部件设置于所述第一偏振
分束器的光透射路径上，所述第二分光部件设置于所述第一偏振分束器的光反射路径上；
所述第二分光部件与所述第一偏振分束器之间设有所述第二半波片；所述第一分光部件与
所述第二分光部件之间设有所述波导晶体；所述第一分光部件与所述波导晶体之间、所述
第二分光部件与所述波导晶体之间分别设有所述第一聚焦部件和所述第二聚焦部件；靠近
所述第一分光部件和所述第二分光部件的光线传出侧分别设有所述第三半波片和所述第
四半波片；靠近所述第三半波片和所述第四半波片的光线传出侧分别设有所述第二偏振分
束器和所述第三偏振分束器；靠近所述第二偏振分束器和所述第三偏振分束器的光线传出
侧分别设有所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器；所述第一单光子探测器和所
述第二单光子探测器分别与所述计算机相连接。

[0025] 使用时，光源发出泵浦光，该泵浦光经过输入光调整部件之后进入第一偏振分束器，经过第一偏振分束器的透射和反射作用，对应将泵浦光分开为H偏振光和V偏振光，其
中，经过第一偏振分束器反射得到的V偏振光再次经过第二半波片得到H偏振光。两束H偏振
光分别经过第一分光部件和第二分光部件，分别反射进入波导晶体，为了更好的聚焦光路，
在H偏振光进入波导晶体之前，首先经过第一聚焦部件和第二聚焦部件进行聚焦。经过波导
晶体之后，分别输出能量较低的H偏振光和V偏振光。其中，波导晶体左方进入的H偏振光，经
过波导晶体之后得到的低能量H1偏振光继续按照从左至右的方向传播，而低能量V1偏振光
则按照从右至左的方向传播；波导晶体右方进入的H偏振光，经过波导晶体之后得到的低能
量H2偏振光继续按照从右至左的方向传播，而低能量V2偏振光则按照从左至右的方向传播。
最后，波导晶体左右两侧输出的偏振光再次分别经过第一分光部件和第二分光部件的透射
作用，对应输出H2和V1，H1和V2，即为纠缠源。最后纠缠源分别经过第三半波片和第四波片，
第二偏振分束器和第三偏振分束器，以及第一单光子探测器和第二单光子探测器，在计算
机上显示纠缠源的表征参数。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本申请实施例提供的一种窄带偏振纠缠源制备装置的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 请参阅图1，为本申请实施例提供的一种窄带偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：

[0030] 光源1、输入光调整部件2、第一偏振分束器3、第一分光部件4、第二分光部件5、第一聚焦部件6、第二聚焦部件7、波导晶体8、第二半波片9、第三半波片10、第四半波片11、第
二偏振分束器12、第三偏振分束器13、第一单光子探测器14、第二单光子探测器15和计算机
16；

[0031] 所述光源1的输出端与所述输入光调整部件2相连接；

[0032] 所述输入光调整部件2包括：第一半波片21和相位调整波片组22；

[0033] 所述输入光调整部件2的光线传出路径上设有所述第一偏振分束器3；

[0034] 所述第一分光部件4设置于所述第一偏振分束器3的光透射路径上，所述第二分光部件5设置于所述第一偏振分束器3的光反射路径上；

[0035] 所述第二分光部件5与所述第一偏振分束器3之间设有所述第二半波片9；

[0036] 所述第一分光部件4与所述第二分光部件5之间设有所述波导晶体8；

[0037] 所述第一分光部件4与所述波导晶体8之间、所述第二分光部件5与所述波导晶体8之间分别设有所述第一聚焦部件6和所述第二聚焦部件7；

[0038] 靠近所述第一分光部件4和所述第二分光部件5的光线传出侧分别设有所述第三半波片10和所述第四半波片11；

[0039] 靠近所述第三半波片10和所述第四半波片11的光线传出侧分别设有所述第二偏振分束器12和所述第三偏振分束器13；

[0040] 靠近所述第二偏振分束器12和所述第三偏振分束器13的光线传出侧分别设有所述第一单光子探测器14和所述第二单光子探测器15；

[0041] 所述第一单光子探测器14和所述第二单光子探测器15分别与所述计算机16相连接。

[0042] 纠缠源原理依托SPDC产生下转化光子，SPDC能够高效进行是需要满足相位匹配条件，利用周期性极化晶体来补偿SPDC过程中的相位失配，晶体提供的相位补偿大小与其周
期大小成反比，这种手段称之为准相位匹配(QPM)过程。通常，pump光与信号和闲频光同向
传播，相位失配量小，故一般大周期晶体就可以满足，周期常在10‑30微米左右。反向传播过
程中，信号光与闲频光传播相反，其相位失配量大，相应的极化周期晶体需要在波长量级才
能满足相位匹配，本发明创新型的提出利用超小周期极化晶体作为变频晶体，并实验实现
了反向传播的偏振纠缠源。

[0043] 泵浦光在湮灭之后产生的信号光与闲频光反向传播，两者的波矢量近似平衡，整个过程中需要满足动量守恒，周期极化晶体极化周期要与波长近似，才能满足整个过程的
动量守恒。本发明的核心技术问题就是，通过波长计算设计超短周期晶体，以满足反向匹配
过程。同时摈弃体块晶体的低效率方案，利用周期极化波导晶体为变频材料，设计光路，实
现偏振为纠缠维度的纠缠源，并解决纠缠源实验中的温控，组装等一系列工程化问题。

[0044] 其需要注意的是，窄带的实现方法与波导晶体8中参量下转换单元有关，常规的参量转换过程为：一个pump光经过参量下转换单元(大周期极化晶体)产生两个相同传播方向
的参量光，而此发明过程为一个pump光经过参量下转换单元(超小周期极化晶体)产生两个
传播方向相反的参量光，即同一个H偏振光得到的能量较低的H偏振光和V偏振光。

[0045] 光源光谱带宽大小最终与信号光与闲频光的中心频率的群速度有关(ugs：信号光群速度，ugi：闲频光群速度)，常规同向传播时，光谱带宽形式为：

[0046]

[0047] 其中，所述ν代表光谱宽度，所述Δk代表相位失配量，ugi代表闲频光群速度，ugs代表信号光群速度。

[0048] 而对于反向传播过程形式为：

[0049]

[0050] 从公式可以看出，反向过程带宽与群速度和有关，经计算带宽在GHz量级，相同情况下比同向过程小2‑3个数量级。

[0051] 经过理论证实，此特殊的传播形式产生的光源带宽比常规光源小2‑3个数量级。本申请利用双向打入超小周期极化晶体PPKTP，产生两个反向的自发参量下转换(SPDC)过程，
波导晶体8的两侧每一路都有不可区分的H偏振光和V偏振光，进而制备偏振纠缠源。

[0052] 单向的SPDC过程只是产生量子纠缠的前决条件，纠缠代表着不可区分性，本发明利用从超小周期极化PPKTP波导的两端打入pump，使同时产生两个SPDC过程，在两端就会同
时有两个SPDC过程的H和V偏振光，另一端就是V和H偏振光。

[0053] 本申请实施例所提供的窄带偏振纠缠源制备设备在使用时，光源1发出泵浦光，该泵浦光pump经过输入光调整部件2之后进入第一偏振分束器3，经过第一偏振分束器3的透
射和反射作用，对应将泵浦光分开为水平H偏振光和竖直V偏振光，其中，经过第一偏振分束
器3反射得到的V偏振光再次经过第二半波片9得到H偏振光。两束H偏振光分别经过第一分
光部件4和第二分光部件5，分别反射进入波导晶体8，为了更好的聚焦光路，在H偏振光进入
波导晶体8之前，首先经过第一聚焦部件6和第二聚焦部件7进行聚焦。经过波导晶体8之后，
得到参量光，该参量光包括能量较低的H偏振光和能量较低的V偏振光。其中，波导晶体8左
方进入的H偏振光，经过波导晶体8之后得到的低能量H1偏振光继续按照从左至右的方向传
播，而低能量V1偏振光则按照从右至左的方向传播；波导晶体8右方进入的H偏振光，经过波
导晶体8之后得到的低能量H2偏振光继续按照从右至左的方向传播，而低能量V2偏振光则按
照从左至右的方向传播。最后，波导晶体8左右两侧输出的偏振光再次分别经过第一分光部
件4和第二分光部件5的透射作用，对应输出H2和V1，H1和V2，即为窄带偏振纠缠源，在偏振光
投射至第一分光部件4和第二分光部件5之前，还是需要首先经过第一聚焦部件6和第二聚
焦部件7的准直作用。最后窄带偏振纠缠源分别经过第三半波片10和第四波片11，第二偏振
分束器12和第三偏振分束器13，以及第一单光子探测器14和第二单光子探测器15，在计算
机16上显示纠缠源的表征参数。

[0054] 其中，各个半波片用于调制泵浦光的偏振，并与对应的偏振分束器配合使用，进而调制不同偏振输出光的分光比。

[0055] 由以上可知，本申请所提供的窄带偏振纠缠源制备装置，能够有效解决现有纠缠源制备装置光谱带宽过大、传播分离以及产率较低的问题

[0056] 可选地，所述装置还包括：反射镜17；

[0057] 所述反射镜17设置于所述输入光调整部件2的光线传出路径上，且所述反射镜17的反射光能够进入所述第一偏振分束器3。

[0058] 可选地，所述相位调整波片组22包括两个四分之一波片和一个半波片，且所述半波片位于两个四分之一波片之间。

[0059] 所述相位调整波片组22用于调节产生的交缠态的相对相位。

[0060] 可选地，所述波导晶体8采用周期极化磷酸钛氧钾晶体。

[0061] 可选地，所述第一分光部件4和所述第二分光部件5采用二向色镜。

[0062] 具体地，所述二向色镜为900nm波长以上通过的二向色镜。

[0063] 由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种窄带偏振纠缠源制备装置的结构示意图，所述装置包括：光源1、输入光调整部件2、第一偏振分束器3、第一分光部件4、第二
分光部件5、第一聚焦部件6、第二聚焦部件7、波导晶体8、第二半波片9、第三半波片10、第四
半波片11、第二偏振分束器12、第三偏振分束器13、第一单光子探测器14、第二单光子探测
器15和计算机16；所述光源1的输出端与所述输入光调整部件2相连接；所述输入光调整部
件2包括：第一半波片21和相位调整波片组22；所述输入光调整部件2的光线传出路径上设
有所述第一偏振分束器3；所述第一分光部件4设置于所述第一偏振分束器3的光透射路径
上，所述第二分光部件5设置于所述第一偏振分束器3的光反射路径上；所述第二分光部件5
与所述第一偏振分束器3之间设有所述第二半波片9；所述第一分光部件4与所述第二分光
部件5之间设有所述波导晶体8；所述第一分光部件4与所述波导晶体8之间、所述第二分光
部件5与所述波导晶体8之间分别设有所述第一聚焦部件6和所述第二聚焦部件7；靠近所述
第一分光部件4和所述第二分光部件5的光线传出侧分别设有所述第三半波片10和所述第
四半波片11；靠近所述第三半波片10和所述第四半波片11的光线传出侧分别设有所述第二
偏振分束器12和所述第三偏振分束器13；靠近所述第二偏振分束器12和所述第三偏振分束
器13的光线传出侧分别设有所述第一单光子探测器14和所述第二单光子探测器15；所述第
一单光子探测器14和所述第二单光子探测器15分别与所述计算机16相连接。

[0064] 使用时，光源1发出泵浦光，该泵浦光pump经过输入光调整部件2之后进入第一偏振分束器3，经过第一偏振分束器3的透射和反射作用，对应将泵浦光分开为水平H偏振光和
竖直V偏振光，其中，经过第一偏振分束器3反射得到的V偏振光再次经过第二半波片9得到H
偏振光。两束H偏振光分别经过第一分光部件4和第二分光部件5，分别反射进入波导晶体8，
为了更好的聚焦光路，在H偏振光进入波导晶体8之前，首先经过第一聚焦部件6和第二聚焦
部件7进行聚焦。经过波导晶体8之后，得到参量光，该参量光包括能量较低的H偏振光和能
量较低的V偏振光。其中，波导晶体8左方进入的H偏振光，经过波导晶体8之后得到的低能量
H1偏振光继续按照从左至右的方向传播，而低能量V1偏振光则按照从右至左的方向传播；波
导晶体8右方进入的H偏振光，经过波导晶体8之后得到的低能量H2偏振光继续按照从右至
左的方向传播，而低能量V2偏振光则按照从左至右的方向传播。最后，波导晶体8左右两侧
输出的偏振光再次分别经过第一分光部件4和第二分光部件5的透射作用，对应输出H2和V1，
H1和V2，即为窄带偏振纠缠源，在偏振光投射至第一分光部件4和第二分光部件5之前，还是
需要首先经过第一聚焦部件6和第二聚焦部件7的准直作用。最后窄带偏振纠缠源分别经过
第三半波片10和第四波片11，第二偏振分束器12和第三偏振分束器13，以及第一单光子探
测器14和第二单光子探测器15，在计算机16上显示纠缠源的表征参数。

[0065] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或
者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的
权利要求指出。

[0066] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。