一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源

摘要

本发明涉及一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源。通过采用光通信波段的频域宽带量子关联光源高速率地输出关联光子对；通过密集波分解复用器和单光子探测器分别对多个频率通道闲频光子进行选取和探测，从而产生电脉冲信号，宣布电学信号处理和生成电路根据输入的电脉冲信号输出宣布电学信号；宣布电学信号触发移频电信号发生器产生移频电信号；基于量子关联光子对在时域上的关联特性，相位调制器根据移频电信号对与闲频光子相对应的信号光子进行移频，使频域复用宣布式单光子源在保证极高单光子纯度的条件下高速率地输出高全同性的单光子。本发明使用的所有器件，均可来自成熟的光电子器件，有利于系统组装制备和实用化发展。

权利要求

1.一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，包括光通信波段的频域宽带量子关联光源（1）、密集波分解复用器（2）、n个单光子探测器（31、32...3n，n为正整数）、宣布电学信号处理和生成电路（4）、移频电信号发生器（5）、光延时模块（6）和相位调制器（7）；

光通信波段的频域宽带量子关联光源（1）产生的频域宽带信号光子（ωs）进入光延时模块（6）进行延时，然后进入相位调制器（7）；

光通信波段的频域宽带量子关联光源（1）产生的频域宽带闲频光子（ωi）输入密集波分解复用器（2）中进行频域滤波，密集波分解复用器（2）输出n个频率模式的闲频光子（ωi1…ωin），n个频率模式的闲频光子分别被n个单光子探测器探测后，产生的电脉冲信号分别进入宣布电学信号处理和生成电路（4），宣布电学信号处理和生成电路对输入的电脉冲信号依次进行电脉冲整形、模数转换、时间延迟和逻辑或运算后，输出相同的两路宣布电学信号，一路宣布电学信号从所述光通信波段的频域复用宣布式单光子源中输出，用来宣布与闲频光子具有量子关联的信号光子的存在，另一路宣布电学信号进入移频电信号发生器（5），移频电信号发生器（5）根据宣布电学信号的延时量产生延时量不同的移频电信号，移频电信号进入相位调制器（7），相位调制器（7）根据移频电信号对输入其中的频域宽带信号光子进行移频，最终输出全同的单光子；

所述宣布电学信号处理和生成电路的所述时间延迟具体为：宣布电学信号处理和生成电路根据预设的产生自不同单光子探测器的电脉冲信号的延时量以及光延时模块（6）的延时量对输入的电脉冲信号进行延迟，从而使得移频电信号发生器（5）输出的移频电信号进入相位调制器（7）后，对与闲频光子（ωi）具有量子关联的信号光子（ωs）进行移频，实现信号光子（ωs）不同移频量的移频；

所述光通信波段的频域宽带量子关联光源（1）包括依次连接的激光源（8）、光放大器（9）、可调光衰减器（10）、偏振控制器（11）、带通滤波器（12）、非线性光学介质（13）、陷波滤波器（14）和波长选择装置（15），波长选择装置（15）分别输出频域宽带闲频光子（ωi）和频域宽带信号光子（ωs）。

2.根据权利要求1所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述单光子探测器（31、32...3n，n为正整数）为半导体雪崩光电二极管单光子探测器、频率上转换单光子探测器、光子和频单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

3.根据权利要求1所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述密集波分解复用器（2）为薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器。

4.根据权利要求1所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述宣布电学信号处理和生成电路（4）为现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、数字信号处理（DSP）芯片或单片微型计算机。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述移频电信号发生器（5）为晶体管放大器或微波放大器。

6.根据权利要求1‑4任一项所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述光延时模块（6）为光纤延时线或自由空间光延时线。

7.根据权利要求1‑4任一项所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述相位调制器（7）为以KDP晶体或铌酸锂晶体作为电光晶体的电光相位调制器，或硅基集成电光相位调制器。

8.根据权利要求1‑4任一项所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述激光源（8）为直流输出或脉冲输出的固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器；

和/或，所述偏振控制器（11）为玻片组偏振控制器或光纤偏振控制器。

9.根据权利要求1‑4任一项所述的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，其特征在于，所述非线性光学介质（13）为周期性极化的铌酸锂晶体、周期性极化的磷酸氧钛钾晶体或周期性极化的偏硼酸钡晶体；

和/或，所述陷波滤波器（14）为陷波滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器；

和/或，所述波长选择装置（15）为带通滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器。

说明书

一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源

技术领域

[0001] 本发明属于量子探测与量子网络领域，具体涉及一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源。

背景技术

[0002] 近年来，光量子信息技术正逐渐从实验研究走向实际的工程应用，包括单光子成像、光纤基量子隐形传态的实现，然而高质量的单光子源仍然是制约其实用化发展的关键。
在长距离的量子探测和量子网络的应用中，尤其是量子隐形传态当中，要求使用单光子源
具有三个重要特点：按需发射光子波包；发射的光子波包中有一个光子，且尽可能地只有一
个光子；发射的光子波包间具有高度不可区分性。宣布式单光子源具有系统简单且可扩展
的优点，因而成为量子探测与量子网络研究中一种重要的单光子源。但是宣布式单光子源
在输出具有高度不可区分的光子波包的同时，其还存在光子波包含有一个光子的几率小于
1以及存在多光子输出的问题。基于关联双光子态产生的宣布式单光子源中单次触发过程
输出单光子的几率的上限为25％，即此类宣布式单光子源无法达到确定性单光子源的性
能。

[0003] 为了弥补宣布式单光子源的不足之处，人们提出了主动复用的方法，将多个模式中产生的关联光子对主动复用到一个预先选定的公共模式中。首先，复用宣布式单光子源，
可以通过降低单个模式中平均光子对数目抑制光子波包中多光子的输出几率；其次，通过
增加主动复用的模式数目增加输出单光子的几率，使得单次触发下输出单光子的几率接近
1；最后，通过精确地选取公共模式，可以保证最终输出的光子波包具有高度的不可区分特
性。目前，实验上已经实现了空域复用、时域复用和频域复用的宣布式单光子源。在这些方
案中，频域复用具有非常突出的优点。具体而言，在频域自由度下，由于使用的移频器件损
耗是一定的，因而复用宣布式光子源的模式数目的增加不会受到光开关损耗的影响。然而
目前实现的频域复用宣布式单光子源的工作波长均不在光通信波段范围内，因而不适用于
光纤基长距离量子探测与量子网络的应用。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，在保证单光子纯度的条件下提高单光子输出速率，可以在光纤
中实现长距离，高速率的传输，促进光通信波段宣布式单光子源的实用化。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，包括光通信波段的频域宽带量子关联光源(broadband quantum correlated 
photon‑pair source)1、密集波分解复用器2、n个单光子探测器31、32...3n，n为正整数、宣
布电学信号处理和生成电路4、移频电信号发生器5、光延时模块6和相位调制器7；

[0006] 光通信波段的频域宽带量子关联光源1产生的频域宽带信号光子ωs进入光延时模块6进行延时，然后进入相位调制器7；

[0007] 光通信波段的频域宽带量子关联光源1产生的频域宽带闲频光子ωi输入密集波分解复用器2中进行频域滤波，密集波分解复用器2输出n个频率模式的闲频光子ωi1…
ωin，n个频率模式的闲频光子分别被n个单光子探测器探测后，产生的电脉冲信号分别进入
宣布电学信号处理和生成电路4，宣布电学信号处理和生成电路对输入的电脉冲信号依次
进行电脉冲整形、模数转换、时间延迟和逻辑或运算后，输出相同的两路宣布电学信号，一
路宣布电学信号从所述光通信波段的频域复用宣布式单光子源中输出，用来宣布与闲频光
子具有量子关联的信号光子的存在，另一路宣布电学信号进入移频信号发生器5，移频信号
发生器5根据宣布电学信号的延时量产生延时量不同的移频电信号，移频电信号进入相位
调制器7，相位调制器7根据移频电信号对输入其中的频域宽带信号光子进行移频，最终输
出全同的单光子；

[0008] 所述宣布电学信号处理和生成电路的所述时间延迟具体为：宣布电学信号处理和生成电路根据预设的产生自不同单光子探测器的电脉冲信号的延时量以及光延时模块6的
延时量对输入的电脉冲信号进行延迟，从而使得移频信号发生器5输出的移频电信号进入
相位调制器7后，对与闲频光子ωi具有量子关联的信号光子ωs进行移频，实现信号光子ωs
不同移频量的移频。

[0009] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

[0010] 进一步的，光通信波段的频域宽带量子关联光源1包括依次连接的激光源8、光放大器9、可调光衰减器10、偏振控制器11、带通滤波器12、非线性光学介质13、陷波滤波器14
和波长选择装置15，波长选择装置15分别输出频域宽带闲频光子ωi和频域宽带信号光子
ωs。

[0011] 进一步的，所述单光子探测器31、32...3n，n为正整数为半导体雪崩光电二极管单光子探测器、频率上转换单光子探测器、光子和频单光子探测器或超导纳米线单光子探测
器。

[0012] 进一步的，所述密集波分解复用器3为薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器。

[0013] 进一步的，所述宣布电学信号处理和生成电路4为现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、数字信号处理(DSP)芯片或单片微型计算机。

[0014] 进一步的，所述移频电信号发生器5为晶体管放大器或微波放大器。

[0015] 进一步的，所述光延时模块6为光纤延时线或自由空间光延时线。

[0016] 进一步的，所述相位调制器7为以KDP晶体或铌酸锂晶体作为电光晶体的电光相位调制器，或硅基集成电光相位调制器。

[0017] 进一步的，所述激光源8为直流输出或脉冲输出的固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器；

[0018] 和/或，所述偏振控制器11为玻片组偏振控制器或光纤偏振控制器。

[0019] 进一步的，所述非线性光学介质13为周期性极化的铌酸锂晶体、周期性极化的磷酸氧钛钾晶体或周期性极化的偏硼酸钡晶体；

[0020] 和/或，所述陷波滤波器14为陷波滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器；

[0021] 和/或，所述波长选择装置15为带通滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用
器。

[0022] 本发明的有益效果是：本发明提供的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，通过采用频域宽带量子关联光源高速率地输出量子关联光子对；然后，通过密集波分解
复用器和单光子探测器分别对多个频率通道闲频光子进行选取和探测，从而产生电脉冲信
号，宣布电学信号处理和生成电路根据输入的电脉冲信号输出宣布电学信号，宣布电学信
号触发移频电信号发生器输出移频电信号；基于量子关联光子对在时域上的关联特性，相
位调制器根据移频电信号对与闲频光子相对应的信号光子进行移频，从而使频域复用宣布
式单光子源在保证极高单光子纯度的条件下高速率地输出高全同性的光通信波段单光子，
可以应用于光纤基长距离量子探测与量子网络。同时，本发明使用的所有器件，均可来自成
熟的光电子器件，有利于系统组装制备和实用化发展，整个装置具有易于组装、小型化、实
用化、可光纤器件集成乃至片上集成的特点。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源的结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例的一种光通信波段的频域宽带量子关联光源的结构示意图；

[0025] 图3为本发明实施例的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源的二阶自关联函数的测量系统；

[0026] 图4为本发明实施例的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源与弱相干光源(weak coherent light source)之间Hong‑Ou‑Mandel干涉测量系统；

[0027] 图5为信号光子分别在移频前和移频后的单光子频谱；

[0028] 图6为光通信波段的频域复用宣布式单光子源在不同的单光子输出速率下的归一化二阶自关联函数位于零延时点的函数值测量结果；

[0029] 图7为光通信波段的频域复用宣布式单光子源与弱相干光源之间的Hong‑Ou‑Mandel干涉测量结果。

[0030] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：

[0031] 1、频域宽带量子关联光源，2、密集波分解复用器，31、32...3n：n个单光子探测器，n为正整数，H1、H2…Hn：n个单光子探测器输出的电脉冲信号的编号，4、宣布电学信号处理和
生成电路，5、移频电信号发生器，6、光延时模块，7、相位调制器，8、激光源，9、光放大器，10、
可调光衰减器，11、偏振控制器，12、带通滤波器，13、非线性光学介质，14、陷波滤波器，15、
波长选择装置，16、频域复用宣布式单光子源，17、第一光纤分束器，18、第一单光子探测器，
19、第二单光子探测器，20、第一时间数字转换器，21、脉冲激光器，22、第一可调光衰减器，
23、可调光延时线，24、第一光纤偏振控制器，25、第二光纤偏振控制器，26、第一光纤偏振分
束器，27、第二光纤偏振分束器，28、第二光纤分束器，29、第三单光子探测器，30、第四单光
子探测器，41、第二时间数字转换器，42、第一数据处理装置，43、第二数据处理装置。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0033] 如图1所示，本发明实施例提供的一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源，包括光通信波段的频域宽带量子关联光源(broadband quantum correlated photon‑pair 
source)1、密集波分解复用器2、n个单光子探测器31、32...3n，n为正整数、宣布电学信号处
理和生成电路4、移频电信号发生器5、光延时模块6和相位调制器7；

[0034] 光通信波段的频域宽带量子关联光源1产生的频域宽带信号光子ωs进入光延时模块6进行延时，然后进入相位调制器7；

[0035] 光通信波段的频域宽带量子关联光源1产生的频域宽带闲频光子ωi输入密集波分解复用器2中进行频域滤波，密集波分解复用器2输出n个频率模式的闲频光子(ωi1…
ωin)，n个频率模式的闲频光子分别被n个单光子探测器探测后，产生的电脉冲信号分别进
入宣布电学信号处理和生成电路4，宣布电学信号处理和生成电路对输入的电脉冲信号依
次进行电脉冲整形、模数转换、时间延迟和逻辑或运算后，输出相同的两路宣布电学信号，
一路宣布电学信号从所述光通信波段的频域复用宣布式单光子源中输出，用来宣布与闲频
光子具有量子关联的信号光子的存在，另一路宣布电学信号进入移频信号发生器5，移频信
号发生器5根据宣布电学信号的延时量产生延时量不同的移频电信号，移频电信号进入相
位调制器7，相位调制器7根据移频电信号对输入其中的频域宽带信号光子进行移频，最终
输出全同的单光子；

[0036] 所述宣布电学信号处理和生成电路的所述时间延迟具体为：宣布电学信号处理和生成电路根据预设的产生自不同单光子探测器的电脉冲信号的延时量以及光延时模块6的
延时量对输入的电脉冲信号进行延迟，从而使得移频信号发生器5输出的移频电信号进入
相位调制器7后，对与闲频光子ωi具有量子关联的信号光子ωs进行移频，实现信号光子ωs
不同移频量的移频。

[0037] 上述实施例中，光通信波段的频域宽带量子关联光源1输出的频域宽带信号光子ωs和频域宽带闲频光子ωi为量子关联光子对。由于量子关联光子对在宽的频率范围内产
生和输出，因而频域宽带量子关联光源1可以高速率地输出量子关联光子对。

[0038] 密集波分解复用器2拥有多个输出端口，通过滤波过程在不同输出端口输出不同频率模式的闲频光子；例如每个频域模式的带宽为6.5GHz，模式之间的间隔为12.5GHz。

[0039] n个单光子探测器31、32...3n，n为正整数，用于分别探测输入的n个频率模式的闲频光子，并对应地输出n路电脉冲信号；

[0040] 宣布电学信号处理和生成电路4拥有多个输入端口和两个输出端口，用于对单光子探测器探测各个频率模式的闲频光子输出的电脉冲信号Hi(i＝1,2,……n)分别进行电
脉冲整形、模数转换、时间延迟以及逻辑或运算，其中所述时间延迟具体为：宣布电学信号
处理和生成电路根据预设的产生自不同单光子探测器的电脉冲信号的延时量以及光延时
模块6的延时量对输入的电脉冲信号进行延迟，从而使得移频信号发生器5输出的移频电信
号进入相位调制器7后，对与闲频光子ωi1…ωin具有量子关联的信号光子ωs进行移频，实
现对信号光子ωs不同移频量的移频。宣布电学信号处理和生成电路中预设的产生自不同
单光子探测器的电脉冲信号的延时量以及光延时模块6的延时量可根据技术人员的实际需
要而任意设置。

[0041] 移频电信号发生器5用于根据输入的宣布电学信号产生移频量不同的移频电信号，该移频电信号输入相位调制器7，相位调制器7根据移频电信号将输入的信号光子进行
移频，使相位调制器7输出的光子在频域具有高全同性，即输出高全同的单光子。例如，移频
电信号为n个不同斜率的斜变信号(ramp signal)在时域依次连接形成的电学信号。移频电
信号发生器5根据宣布电学信号的时间延时产生延时量不同的移频电信号。移频电信号进
入相位调制器7，与此同时信号光子经过光延时模块延时后进入相位调制器7，使得相位调
制器7根据移频电信号中与信号光子在时域重合的斜变信号对信号光子进行线性相位调制
(linear phase modulation)，实现对与闲频光子具有量子关联的信号光子的移频，成为频
域高全同光子。

[0042] 可选地，所述单光子探测器(31、32...3n，n为正整数)为半导体二极管雪崩单光子探测器、频率上转换单光子探测器、光子和频单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

[0043] 可选地，所述密集波分解复用器3为薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器。

[0044] 可选地，所述宣布电学信号处理和生成电路4为现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、数字信号处理(DSP)芯片或单片微型计算机。

[0045] 可选地，所述移频电信号发生器5为晶体管放大器或微波放大器。

[0046] 可选地，所述光延时模块6为光纤延时装置、自由空间光延装置或机械延时线。

[0047] 可选地，所述相位调制器7为以KDP晶体或铌酸锂晶体作为电光晶体的相位调制器。

[0048] 可选地，如图2所示，光通信波段的频域宽带量子关联光源1包括依次连接的激光源8、光放大器9、可调光衰减器10、偏振控制器11、带通滤波器12、非线性光学介质13、陷波
滤波器14和波长选择装置15，波长选择装置15分别输出频域宽带闲频光子ωi和频域宽带
信号光子ωs。

[0049] 上述实施例中，激光源8用于提供稳定的直流或脉冲泵浦光，例如为光纤耦合半导体激光器，提供中心波长为1500nm～1570nm的直流泵浦光。

[0050] 光放大器9用于放大泵浦光，实现提升泵浦光平均光功率的功能，工作波长范围为1528nm～1566nm。例如连续的中心波长为1540nm，平均功率为0.92mW的泵浦光经过光放大
器后，其平均功率提升到4.5mW。

[0051] 可调光衰减器10用于调节进入非线性光学介质13的泵浦光平均光功率，通过调节旋钮等方式可以精确地实现所需的泵浦光平均光功率。例如直流激光经过掺铒光纤放大器
后输出4.5mW的功率，通过可调光衰减器将进入到周期性极化铌酸锂晶体的激光功率降低
到3.73mW。

[0052] 偏振控制器11用于操控泵浦光的偏振方向，以保证进入非线性光学介质13的泵浦光为平行于非线性光学介质偏振主轴的线偏振光。例如使用偏振控制器将直流泵浦光的偏
振方向调节为与周期性极化铌酸锂晶体偏振主轴平行。

[0053] 带通滤波器12用于滤除光放大器中产生的放大自发辐射噪声和泵浦光在传播过程中产生的自发拉曼散射噪声。

[0054] 非线性光学介质13用于产生光学非线性参量过程，生成宽带量子关联光子对。例如，非线性光学介质为周期性极化铌酸锂晶体，且中心波长为1540nm的连续泵浦光沿周期
极化铌酸锂晶体的偏振主轴入射时，晶体中的光学倍频过程将1540nm泵浦光转换为770nm
波段的激光，770nm激光通过0型‑自发参量下转换过程产生波长在以1540nm为中心，且在很
大的带宽范围内(大于50nm)分布的量子关联光子对。

[0055] 陷波滤波器14用于滤除泵浦光，例如使用透射端中心波长位于1540nm的单通道薄膜型密集波分解复用器作为陷波滤波器，可以将波长为1540nm的泵浦光从陷波滤波器的透
射端输出，而关联光子对从陷波滤波器的反射端输出，即滤除了泵浦光。

[0056] 波长选择装置15用于选择、分离并输出关联光子对中的频域宽带信号光子和频域宽带闲频光子。例如使用透射端中心波长分别位于1549nm和1531nm，通道带宽为100GHz的
双通道薄膜型密集波分解复用器作为波长选择装置，可以分别选择出中心波长位于1549nm
和1531nm，带宽为100GHz的信号光子和闲频光子，将它们分别从两个透射端输出。

[0057] 可选地，所述激光源8为直流输出或脉冲输出的固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器；

[0058] 和/或，所述偏振控制器11为玻片型偏振控制器或光纤环型偏振控制器。

[0059] 可选地，所述非线性光学介质13为周期性极化的铌酸锂晶体、周期性极化的磷酸氧钛钾晶体或周期性极化的偏硼酸钡晶体；

[0060] 和/或，所述陷波滤波器14为陷波滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用器；

[0061] 和/或，所述波长选择装置15为带通滤光片、薄膜型密集波分解复用器、空间光栅型密集波分解复用器、阵列波导光栅型密集波分解复用器或光纤光栅型密集波分解复用
器。

[0062] 图3所示实验系统为本发明所述的光通信波段频域复用宣布式单光子源的二阶自关联函数的测量系统，包括图1所示光通信波段的频域复用宣布式单光子源16、第一光纤分
束器17、第一单光子探测器18、第二单光子探测器19、第一时间数字转换器20；所述光通信
波段的频域复用宣布式单光子源16输出的信号光子和宣布电学信号(heralding signal)
分别输入第一光纤分束器17和第一时间数字转换器20中。从第一光纤分束器17的两个输出
端输出的光子分别被第一单光子探测器18和第二单光子探测器19探测，产生的两路电脉冲
信号进入第一时间数字转换器20。时间数字转换器根据输入的两路电脉冲信号得到单光子
速率(heralding single photon rate,HPS rate)，同时根据输入的宣布电学信号和两路
电脉冲信号，得到在输入时间数字转换器的两路电脉冲信号之间的时延τ取不同值时，宣布
电学信号和两路电脉冲信号之间的三重符合计数、以及宣布电学信号分别和两路电脉冲信
号各自的双重符合计数。第一数据处理装置42根据时延τ取不同值时的三重符合计数和双
(2)
重符合计数计算得到频域复用宣布式单光子源16的归一化二阶自关联函数g (τ)，当τ＝0
(2)
时即得到g (τ)位于零延时点的函数值。

[0063] 图4所示为图1所述实施例中的光通信波段的频域复用宣布式单光子源与弱相干光源之间Hong‑Ou‑Mandel干涉的测量系统，包括图1所述光通信波段的频域复用宣布式单
光子源16、脉冲激光器21、可调光衰减器22、可调光延时线23、第一光纤偏振控制器24、第二
光纤偏振控制器25、第一光纤偏振分束器26、第二光纤偏振分束器27、第二光纤分束器28、
第三单光子探测器29、第四单光子探测器30、第二时间数字转换器41；所述光通信波段的频
域复用宣布式单光子源16输出的单光子输入第一光纤偏振控制器24。第一光纤偏振控制器
24的输出端和第一光纤偏振分束器26的输入端相连接。第一光纤偏振分束器26的两个输出
端中的一个输出端与第二光纤分束器28的一个输入端相连接。所述可调光衰减器22用于将
所述脉冲激光器21产生的脉冲激光衰减至每脉冲平均光子数为单光子水平，作为Hong‑Ou‑
Mandel干涉中的的弱相干脉冲(weak coherent pulse)，弱相干脉冲经过依次连接的可调
光延时线23、第二光纤偏振控制器25后输入第二光纤偏振分束器27。第二光纤偏振分束器
27的两个输出端中的一个输出端与光纤耦合器的另一个输入端相连接。进入第二光纤分束
器28的两个输入端的光子发生Hong‑Ou‑Mandel干涉。由第一光纤偏振分束器26和第二光纤
偏振分束器27进入第二光纤分束器28的光子的偏振方向相同，保证了Hong‑Ou‑Mandel干涉
所需的光子偏振全同性。调节第一光纤偏振控制器24和第二光纤偏振控制器25可以使由第
一光纤偏振分束器26和第二光纤偏振分束器27进入第二光纤分束器28的光子数均达到最
大。

[0064] 第二光纤分束器28的两个输出端输出的光子分别被第三单光子探测器29和第四单光子探测器30探测，产生的电脉冲信号输入第二时间数字转换器41；同时，所述光通信波
段的频域复用宣布式单光子源16输出的宣布电学信号(heralding signal)也输入第二时
间数字转换器41中。

[0065] 在所述可调光延时线23的延时取不同值时，第二时间数字转换器41得到两路电脉冲信号和宣布电学信号三重符合计数(three‑fold coincidences)，第二数据处理装置43
根据可调光延时线的延时取不同值时的三重符合计数，通过数据拟合获得Hong‑Ou‑Mandel
干涉曲线。

[0066] 可选地，脉冲激光器21为脉冲输出的固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器。

[0067] 可选地，可调光延时线23为手动延时线或电动延时线；

[0068] 和/或，第三单光子探测器29和第四单光子探测器30为半导体雪崩光电二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器；

[0069] 和/或，第二时间数字转换器41为ID900时间数字转换器，每个通道的快速计数率高达100Mcps，分辨率为100ps。

[0070] 可选地，第一数据处理装置42和第二数据处理装置43为计算机。

[0071] 图5为信号光子分别在移频前和移频后的单光子频谱的测量结果。横坐标为信号光子的相对频率，纵坐标为信号光子的计数。当移频电信号未作用于信号光子时，如图5
(a)，输出信号光子的光谱分布呈现为三个分离的频率模式(fs+，fs0，fs‑)；当移频电信号在
相位调制器中作用于信号光子后，如图5(b)，三个分离的频率模式，在不同斜率的斜变信号
信号作用下复用到了一个公共的频率模式中。该结果说明实施例中所述宣布式单光子源实
现了频域复用，可以输出频域高全同性的单光子。

[0072] 图6为通过图3所述系统对光通信波段的频域复用宣布式单光子源二阶自关联函(2) (2)
数g (τ)以及不同单光子速率下g (0)的测量结果。图6中的插图为宣布式单光子速率为
(2) (2)
21.1kHz时的二阶自相关函数g (τ)，可以看到g (τ)在τ趋近于0的过程中，逐渐由1向0趋
近，呈现出明显的单光子源的特征。图6主图中的数据点分别为不同单光子输出速率下的g
(2) (2)
(0)，短划线为采用二次函数对g (0)数据进行拟合的结果。可以看到，在3.1kHz的单光
(2)
子速率下g (0)＝0.0006±0.0001，远小于0.5，说明本发明的光通信波段的频域复用宣布
(2)
式单光子源输出的单光子具有高的单光子纯度；在21.5kHz的单光子速率下g (0)＝
0.0140±0.0009，说明实施例中所述频域复用宣布式单光子源同时实现了高速率和高纯度
的单光子产生。

[0073] 可选地，所述第一光纤分束器17可为50/50光纤分束器；

[0074] 和/或，第一单光子探测器18和第二单光子探测器19可为半导体雪崩光电二极管单光子探测器或超导纳米线单光子探测器；

[0075] 和/或，第一时间数字转换器20可为ID900时间数字转换器，每个通道的快速计数率高达100Mcps，分辨率为100ps。

[0076] 图7为利用图4所示系统对光通信波段的频域复用宣布式单光子源与弱相干脉冲之间Hong‑Ou‑Mandel干涉进行测量的实验结果。图7中所示Hong‑Ou‑Mandel干涉曲线均为
归一化后的结果。圆圈表示的数据点为时间数字转换器31中输入的两路电脉冲信号和宣布
电学信号之间的归一化三重符合计数，点线为对归一化三重符合计数数据点进行拟合得到
的Hong‑Ou‑Mandel干涉曲线，可见度为49.50％±2.84％。菱形表示的数据点是考虑实验中
频率复用宣布式单光子源的非理想频率模式纯度后修正的归一化三重符合计数，短划线为
对修正后的归一化三重符合计数进行拟合得到的Hong‑Ou‑Mandel干涉曲线，可见度为
60.99％±4.80％；实线为根据光场的二阶关联函数理论，弱相干脉冲的量子化模型、单光
子场的量子化模型、分束器的量子光学模型计算得到的脉宽相等的单模单光子源与弱相干
光源之间的Hong‑Ou‑Mandel干涉曲线，可见度为66.7％，是单光子源与弱相干光源之间的
Hong‑Ou‑Mandel干涉曲线可见度的理论上限。可以看到短划线所示Hong‑Ou‑Mandel干涉曲
线的可见度超过了50％的经典极限，并且接近理论计算得到的66.7％的理论上限(three‑
fold upper bound)，表明频率复用宣布式单光子源输出的单光子具有较高的全同性。

[0077] 本发明涉及一种光通信波段的频域复用宣布式单光子源。通过采用光通信波段的频域宽带量子关联光源高速率地输出关联光子对；通过密集波分解复用器和单光子探测器
分别对多个频率通道闲频光子进行选取和探测，从而产生电脉冲信号，宣布电学信号处理
和生成电路根据输入的电脉冲信号输出宣布电学信号；宣布电学信号触发移频电信号发生
器产生移频电信号，基于量子关联光子对在时域上的关联特性，移频电信号对与闲频光子
相对应的信号光子进行移频，使频域复用宣布式单光子源在保证极高单光子纯度的条件下
高速率地输出高全同性的单光子。本发明使用的所有器件，均可来自成熟的光电子器件，有
利于系统组装制备和实用化发展，整个装置具有易于组装、小型化、实用化、可光纤器件集
成乃至片上集成的特点。

[0078] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”
的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0079] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。