專利名稱：一種糾纏光子源的制作方法
技術領域：
本發明涉及量子光學領域，特別是涉及ー種糾纏光子源。
背景技術：
目前，在量子通信網絡中，基于誘騙態的量子密鑰分發技術被廣泛應用。但是，由于誘騙態方案的基本原理的限制，誘騙態方案無法實現全球化的量子通信網絡。全球化量子通信必須采用另ー種方案，即基于量子中繼器的量子密鑰分發網絡。但是，光纖量子通信采用的光子波長是1550nm附近的光纖傳播窗ロ，而量子中繼器采用的光學窗ロ 一般為780nm或者795nm，導致量子通信網絡與量子中繼器之間無法實現關聯。因此，有必要研制ー種能夠將量子通信網絡與量子中繼器相關聯的糾纏光子源。
發明內容
本發明主要解決的技術問題是提供一種糾纏光子源，以實現量子通信網絡與量子中繼器之間的關聯。為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是提供一種糾纏光子源，包括光源系統以及轉換系統。光源系統用于產生波長為518nm的第一泵浦光。轉換系統用于在第一泵浦光的作用下產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，井分離糾纏光子對，以形成第一輸出光和第二輸出光。其中，轉換系統包括偏振分束器、半波片、第一反射鏡、第二反射鏡以及PPKTP晶體。偏振分束器用于將第一泵浦光分束成沿不同方向傳輸的第一偏振態的第二泵浦光和第ニ偏振態的第三泵浦光。半波片用于將第三泵浦光的偏振狀態轉換成第一偏振態。第一反射鏡將偏振分束器輸出的第二泵浦光反射至PPKTP晶體，PPKTP晶體在第二泵浦光的作用下產生第一孿生光子對，第一孿生光子對包括波長為1550nm的第一偏振態的第一光子以及波長為780nm的第二偏振態的第二光子，第二反射鏡將第一孿生光子對反射至半波片。半波片將第一光子的偏振狀態轉換成第二偏振態，將第二光子的偏振狀態轉換成第一偏振態，并將第一孿生光子對輸出至偏振分束器。第二反射鏡進ー步將半波片輸出的第三泵浦光反射至PPKTP晶體，PPKTP晶體在第三泵浦光的作用下產生第二孿生光子對，第二孿生光子對包括波長為1550nm的第一偏振態的第三光子以及波長為780nm的第二偏振態的第四光子。第一反射鏡進ー步將第二孿生光子對反射至偏振分束器，第一孿生光子對和第二孿生光子對在偏振分束器進行相干重合，以形成糾纏光子對，糾纏光子對包括第一光子和第三光子中的任意ー個以及第ニ光子和第四光子中的對應孿生光子。偏振分束器進ー步使得第一光子和第三光子沿第一方向傳輸，以形成第一輸出光，并使得第二光子和第四光子沿第二方向傳輸，以形成第二輸出光。其中，轉換系統進一歩包括偏振控制器，偏振控制器將第一泵浦光的偏振狀態調整成45度偏振態,且第一偏振態為水平偏振態，第二偏振態為垂直偏振態。其中，第一反射鏡進ー步將經PPKTP晶體透射的第三泵浦光反射至偏振分束器，第二反射鏡進ー步將經PPKTP晶體透射的第二泵浦光反射至半波片，半波片將第二泵浦光的偏振狀態轉換成第二偏振態，并輸出至偏振分束器，偏振分束器將第一反射鏡反射的第三泵浦光和半波片輸出的第二泵浦光輸出為與第一泵浦光反向傳輸的第四泵浦光。轉換系統進一歩包括光隔離器，光隔離器通過第一泵浦光且阻止第四泵浦光。其中，第一輸出光與第四泵浦光同向傳輸，轉換系統進ー步包括分光濾光片，分光濾光片透射第一泵浦光和第四泵浦光，且反射第一輸出光。其中，轉換系統進一歩包括聚焦透鏡，聚焦透鏡用于對第一泵浦光進行聚焦，以使得第二泵浦光和第三泵浦光聚焦于PPKTP晶體上。其中，光源系統包括激光器以及倍頻晶體。激光器用于產生波長為1036nm的初始泵浦光。倍頻晶體用于在初始泵浦光的作用下產生第一泵浦光。其中，光源系統進一歩包括分光濾光片，用于透射第一泵浦光，且反射初始泵浦光。 其中，光源系統進一歩包括聚焦透鏡，用于將初始泵浦光聚焦于倍頻晶體上。其中，光源系統以脈沖方式產生第一泵浦光。通過上述方式，本發明的糾纏光子源利用518nm的泵浦光產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，進而能夠實現量子通信網絡與量子中繼器之間的關聯。
圖I是根據本發明的一實施例的糾纏光子源的示意框圖；圖2是根據本發明ー實施例的光源系統的示意框圖；圖3是根據本發明ー實施例的轉換系統的示意框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。請參見圖1，圖I是根據本發明的第一實施例的糾纏光子源的示意框圖。如圖I所示，本發明的糾纏光子源主要包括光源系統10和轉換系統11。在本實施例中，光源系統10用于產生波長為518nm的第一泵浦光。轉換系統11用于在第一泵浦光的作用下產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對,并分離該糾纏光子對，以形成第一輸出光和第二輸出光。在優選實施例中，光源系統10以脈沖方式產生第一泵浦光。在傳統的糾纏光子源中，糾纏光子的波長一般為簡并的，即同一糾纏光子對的兩個糾纏光子的波長均為780nm附近或者1550nm附近。當然，在個別設計中，也存在采用532nm的連續激光器制備1550nm和810nm的糾纏光子對的糾纏光子源。但是，由于光子波長的限制，使得上述糾纏光子源無法應用于量子中繼器，進而實現量子通信網絡與量子中繼器之間的關聯。此外，由于采用連續激光器，使得糾纏光子的出射完全是隨機的，限制其應用和擴展。在本實施例中，采用518nm的脈沖光作為泵浦光，可以使得糾纏光子對中的ー糾纏光子的波長為780nm，而另ー糾纏光子的波長為1550nm，進而能夠實現量子通信網絡與量子中繼器之間的關聯。同時，糾纏光子對的發射在時域上有限制，保留了將糾纏光子源升級為確定性光源的潛能。
在本發明中，光源系統10可通過倍頻方式產生，當然也可以由本領域公知的各種其他方式產生。請參見圖2，圖2是根據本發明ー實施例的光源系統的示意框圖。本實施例的光源系統10主要包括激光器101、聚焦透鏡102、倍頻晶體103以及分光濾光片104。在本實施例中，激光器101可采用商用的摻雜Yb的1036nm光纖激光器，其用于產生波長為1036nm的初始泵浦光。聚焦透鏡102將激光器101產生的初始泵浦光聚焦到倍頻晶體103。倍頻晶體103可采用PPLN(周期性極化鈮酸鋰)倍頻晶體，其在初始泵浦光的作用下通過光學倍頻效應產生518nm的第一泵浦光。倍頻晶體103產生的518nm的第一泵浦光和剩余的1036nm的初始泵浦光入射到分光濾光片104,并由分光濾光片104透射第一泵浦光,且反射初始泵浦光，進而實現二者的空間分離，避免初始泵浦光進入后續的轉換系統11。在本實施例中，聚焦透鏡102可根據由透鏡組代替或省略，而分光濾光片104可由吸收型濾光片代替或省略。
在本發明中，轉換系統11 一般可通過波長為518nm的第一泵浦光泵浦PPKTP晶體(周期性極化磷酸氧鈦鉀晶體)來產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，其具體光路根據實際需要采用各種設計，并不局限于本發明下文描述的轉換系統11。請參見圖3，圖3根據本發明一實施例的轉換系統的示意框圖。如圖3所示，本實施例的轉換系統11主要包括光隔離器111、偏振控制器112、聚焦透鏡113、分光濾光片
114、偏振分束器115、第一反射鏡116、PPKTP晶體117、半波片118以及第二反射鏡119。其中，光源系統10輸出的518nm的第一泵浦光正向入射到光隔離器111。光隔離器111具有正向通過且反向阻止的特性，因而允許第一泵浦光通過光隔離器111入射到偏振控制器112。偏振控制器112對第一泵浦光的偏振狀態進行調整，例如在本實施例中可將第一泵浦光的偏振狀態調整成45度偏振態。進行偏振狀態調整后的第一泵浦光經聚焦透鏡113聚焦，再經分光濾光片114透射后入射到偏振分束器115。偏振分束器115將第一泵浦光分束成沿不同方向傳輸的第一偏振態的第二泵浦光和第二偏振態的第三泵浦光。在本實施例中，偏振分束器115透射第一偏振態的第一泵浦光，而反射第二偏振態的第一泵浦光，進而分別形成第二泵浦光和第三泵浦光。此外，在本實施例中，第一偏振態為水平偏振態，而第二偏振態為垂直偏振態。當然，在其他實施例中，二者也可以互換。偏振分束器115輸出的第二泵浦光進ー步入射到第一反射鏡116。第一反射鏡116將偏振分束器115輸出的第二泵浦光反射至PPKTP晶體117，并在聚焦透鏡113對第一泵浦光的聚焦作用下聚焦于PPKTP晶體117上。PPKTP晶體117在第二泵浦光的作用下產生第一孿生光子對，第一孿生光子對包括波長為1550nm的第一偏振態的第一光子以及波長為780nm的第二偏振態的第二光子。具體來說，第二泵浦光中的泵浦光子以一定幾率經歷參量下轉換過程，進而分裂為ー對孿生光子，即第一孿生光子對。在本實施例中，PPKTP晶體117產生的第一光子為水平偏振態且波長為1550nm，而PPKTP晶體117產生的第二光子為垂直偏振態且波長為780nm，上述兩種光子可分別表示為
H1550 和 V780 光子。PPKTP晶體117產生的上述第一孿生光子對進ー步入射到第二反射鏡119。第二反射鏡119將第一孿生光子對反射至半波片118。半波片118將第一光子的偏振狀態轉換成第二偏振態，并將第二光子的偏振狀態轉換成第一偏振態，并將第一孿生光子對輸出至偏振分束器115。在本實施例中，通過半波片118后的第一光子的偏振狀態由水平偏振態轉換成垂直偏振態，而第二光子的偏振狀態由垂直偏振態轉換成水平偏振態，此時這兩種光子可分別表不為V155tl和H78tl光子。偏振分束器115輸出的第三泵浦光進ー步入射到半波片118，半波片118對第三泵浦光的偏振狀態進行反轉，即將第三泵浦光的偏振狀態轉換成第一偏振態。第二反射鏡119進ー步將半波片118輸出的第三泵浦光反射至PPKTP晶體117，并在聚焦透鏡113對第一泵浦光的聚焦作用下聚焦于PPKTP晶體117上。PPKTP晶體117在第三泵浦光的作用下產生第二孿生光子對，第二孿生光子對包括波長為1550nm的第一偏振態的第三光子以及波長為780nm的第二偏振態的第四光子。在本實施例中，PPKTP晶體117產生的第三光子為水平偏振態且波長為1550nm，而PPKTP晶體117產生的第四光子為垂直偏振態且波長為780nm,上述兩種光子同樣可分別表不為H155tl和V78tl光子。PPKTP晶體117產生的上述第二孿生光子對進ー步入射到第一反射鏡116。第一 反射鏡116進ー步將第二孿生光子對反射至偏振分束器115。第一孿生光子對和第二孿生光子對在偏振分束器115進行相干重合，以形成糾纏光子對。糾纏光子對包括第一光子和第三光子中的任意ー個以及第ニ光子和第四光子中的對應孿生光子。偏振分束器115進ー步使得第一光子和第三光子沿第一方向傳輸，以形成第一輸出光，并使得第二光子和第四光子沿第二方向傳輸，以形成第二輸出光。在本實施例中，偏振分束器115反射垂直偏振態的第一光子且透射水平偏振態的第三光子，同時透射水平偏振態的第二光子且反射豎直偏振態的第四光子，進而使得偏振分束器115的端ロ A輸出的第一輸出光中的光子為H155tl和V155tl光子,而端ロ B輸出的第二輸出光中的光子H78tl和V·光子。需要進ー步說明的是，在本發明中，入射到PPKTP晶體117的第二泵浦光和第三泵浦光可能僅被PPKTP晶體117部分吸收，剰余的第二泵浦光和第三泵浦光會進ー步經PPKTP晶體117透射。因此，第一反射鏡116進ー步將經PPKTP晶體117透射的第三泵浦光反射至偏振分束器115。第二反射鏡119進ー步將經PPKTP晶體117透射的第二泵浦光反射至半波片118。半波片118將第二泵浦光的偏振狀態轉換成第二偏振態，并輸出至偏振分束器
115。偏振分束器115將第一反射鏡116反射的第三泵浦光和半波片118輸出的第二泵浦光輸出為與第一泵浦光反向傳輸的第四泵浦光，并經分光濾光片114、聚焦透鏡113以及偏振控制器112透射后反向入射到光隔離器111，并被光隔離器111阻止。進ー步，在本實施例中，偏振分束器115的端ロ A輸出的第一輸出光與第四泵浦光為同向傳輸，因此可將分光濾光片114設置成進ー步反射第一輸出光，進而實現第一輸出光與第四泵浦光的空間分離。在上述實施例中，偏振分束器115和半波片118同時在518nm、780nm和1550nm三個波長同時工作，因此可降低系統復雜度。另外，光隔離器111、偏振控制器112、聚焦透鏡113以及分光濾光片114作為上述實施例的非必要元件，可根據實際情況進行省略或由其他能夠實現類似功能的元件代替。通過上述方式，本發明的糾纏光子源利用518nm的泵浦光產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，進而能夠實現量子通信網絡與量子中繼器之間的關聯。此外，通過第一反射鏡和第二反射鏡配合三波長的偏振分束器和半波片可降低系統的復雜度。以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種糾纏光子源，其特征在于，包括 光源系統，用于產生波長為518nm的第一泵浦光； 轉換系統，用于在所述第一泵浦光的作用下產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，并分離所述糾纏光子對，以形成第一輸出光和第二輸出光。
2.根據權利要求I所述的糾纏光子源，其特征在于，所述轉換系統包括 偏振分束器，用于將所述第一泵浦光分束成沿不同方向傳輸的第一偏振態的第二泵浦光和第二偏振態的第三泵浦光； 半波片，用于將所述第三泵浦光的偏振狀態轉換成所述第一偏振態； 第一反射鏡、第二反射鏡以及PPKTP晶體，所述第一反射鏡將所述偏振分束器輸出的所述第二泵浦光反射至所述PPKTP晶體，所述PPKTP晶體在所述第二泵浦光的作用下產生第一孿生光子對，所述第一孿生光子對包括波長為1550nm的所述第一偏振態的第一光子以及波長為780nm的所述第二偏振態的第二光子，所述第二反射鏡將所述第一孿生光子對反射至所述半波片，所述半波片將所述第一光子的偏振狀態轉換成所述第二偏振態，將所述第二光子的偏振狀態轉換成所述第一偏振態，并將所述第一孿生光子對輸出至所述偏振分束器，所述第二反射鏡進一歩將所述半波片輸出的所述第三泵浦光反射至所述PPKTP晶體，所述PPKTP晶體在所述第三泵浦光的作用下產生第二孿生光子對，所述第二孿生光子對包括波長為1550nm的所述第一偏振態的第三光子以及波長為780nm的所述第二偏振態的第四光子，所述第一反射鏡進一歩將所述第二孿生光子對反射至所述偏振分束器，所述第一孿生光子對和所述第二孿生光子對在所述偏振分束器進行相干重合，以形成所述糾纏光子對，所述糾纏光子對包括所述第一光子和所述第三光子中的任意ー個以及所述第二光子和所述第四光子中的對應孿生光子，所述偏振分束器進ー步使得所述第一光子和所述第三光子沿第一方向傳輸，以形成所述第一輸出光，并使得所述第二光子和所述第四光子沿第二方向傳輸，以形成所述第二輸出光。
3.根據權利要求2所述的糾纏光子源，其特征在于，所述轉換系統進一歩包括偏振控制器，所述偏振控制器將所述第一泵浦光的偏振狀態調整成45度偏振態，且所述第一偏振態為水平偏振態，所述第二偏振態為垂直偏振態。
4.根據權利要求2所述的糾纏光子源，其特征在干，所述第一反射鏡進ー步將經所述PPKTP晶體透射的所述第三泵浦光反射至所述偏振分束器，所述第二反射鏡進ー步將經所述PPKTP晶體透射的所述第二泵浦光反射至所述半波片，所述半波片將所述第二泵浦光的偏振狀態轉換成所述第二偏振態，并輸出至所述偏振分束器，所述偏振分束器將所述第一反射鏡反射的所述第三泵浦光和所述半波片輸出的所述第二泵浦光輸出為與所述第一泵浦光反向傳輸的第四泵浦光，所述轉換系統進一歩包括光隔離器，所述光隔離器通過所述第一泵浦光且阻止所述第四泵浦光。
5.根據權利要求4所述的糾纏光子源，其特征在于，所述第一輸出光與所述第四泵浦光同向傳輸，所述轉換系統進ー步包括分光濾光片，所述分光濾光片透射所述第一泵浦光和所述第四泵浦光，且反射所述第一輸出光。
6.根據權利要求2所述的糾纏光子源，其特征在于，所述轉換系統進一歩包括聚焦透鏡，所述聚焦透鏡用于對所述第一泵浦光進行聚焦，以使得所述第二泵浦光和所述第三泵浦光聚焦于所述PPKTP晶體上。
7.根據權利要求I所述的糾纏光子源，其特征在于，所述光源系統包括 激光器，用于產生波長為1036nm的初始泵浦光； 倍頻晶體，用于在所述初始泵浦光的作用下產生所述第一泵浦光。
8.根據權利要求7所述的糾纏光子源，其特征在干，所述光源系統進一歩包括分光濾光片，用于透射所述第一泵浦光，且反射所述初始泵浦光。
9.根據權利要求7所述的糾纏光子源，其特征在于，所述光源系統進一歩包括聚焦透鏡，用于將所述初始泵浦光聚焦于所述倍頻晶體上。
10.根據權利要求I所述的糾纏光子源，其特征在于，所述光源系統以脈沖方式產生所述第一泵浦光。
全文摘要
本發明公開了一種糾纏光子源，包括光源系統以及轉換系統。其中，光源系統用于產生波長為518nm的第一泵浦光。轉換系統用于在第一泵浦光的作用下產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，并分離糾纏光子對，以形成第一輸出光和第二輸出光。通過上述方式，本發明的糾纏光子源利用518nm的泵浦光產生波長分別為1550nm和780nm的糾纏光子對，進而能夠利用該糾纏光子源關聯量子通信網絡與量子中繼器。
文檔編號G02F1/35GK102654716SQ20121011448
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者張安寧 申請人:蘇州廣泰量子科技有限公司