緊湊型半導體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產生系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子光學技術領域，具體涉及一種緊湊型半導體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產生系統。
【背景技術】
[0002]基于量子糾纏光源的量子密碼技術已經非常接近實用，但其中量子密鑰分配技術仍然有一個核心問題尚待突破，即如何從傳統的蛙跳式“可信中繼”方式過渡到量子中繼模式以實現高可靠性長程量子通信，而采用量子中繼器的量子密鑰分配系統必須采用基于光子糾纏源的量子密鑰分配方案，因此當前限制糾纏式量子密碼應用的主要問題是缺乏高亮度、高品質、體積小的通信波段光子糾纏源。最新研宄表明，處于1.5 μπι波段的光子糾纏源不僅能夠滿足量子密鑰分配系統的基本要求，還能匹配當前的光纖通信系統和大氣傳輸窗口，因此研制高亮度、高糾纏品質、小型化的1.5 ym雙光子偏振糾纏源十分必要。
[0003]光子糾纏源中，最基本的研宄便是關于雙光子糾纏源的開發與應用，其中雙光子偏振單自由度糾纏源的研宄與應用較為成熟，盡管多自由度、多光子糾纏源的開發更接近于實際應用需求，但整體難度較大，因此雙光子偏振糾纏源是當前各項量子通信實驗的主要糾纏源。利用光學非線性耦合作用獲得光子糾纏源是最為常用的方法，其中常用的兩種非線性耦合作用包括:第一種是基于三波混頻的自發參量下轉換(sroc)過程，利用的非線性介質包括:普通塊狀非線性晶體(如KDP、BBO等)、周期性極化晶體(如PPLN、PPKTP)以及新型平面波導介質，其中周期性極化晶體和平面波導的性能優異，但后者制造難度大、成本高；第二種是基于光纖中的自發四波混頻(SFWM)非線性效應，利用的非線性光學包括:色散位移光纖、微結構光纖、雙折射光纖等。SPDC過程獲得光子糾纏源的研宄較多，其突出優點是介質的非線性系數較大，主要缺點是在光纖通信系統中耦合效率較低；SFWM過程獲得光子糾纏源的突出優點是與光纖通信系統的高兼容性，但目前高非線性系數的光纖介質較少，一般需要利用脈沖激光器作為泵浦源。以往的研宄中，為獲得1.5μπι波段高亮度偏振糾纏光子對連續輸出，主要應用的泵浦源有:經過摻鉺光纖激光器倍頻獲得的780nm激光和可調諧鈦寶石激光器，前者的整體結構較為復雜且連續倍頻轉換效率不高，后者成本高、結構也復雜。
[0004]鑒于此，亟需提供一種新的裝置以獲得1.5 μπι波段高亮度雙光子偏振糾纏源。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種緊湊型半導體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產生系統，可以獲得單頻穩頻的泵浦光及高亮度、高品質偏振糾纏源。
[0006]第一方面，本發明提供了一種緊湊型半導體激光裝置，包括:窄線寬激光產生單元、飽和吸收譜穩頻單元和錐形半導體放大單元；
[0007]所述窄線寬激光產生單元包括激光二極管、第一光學透鏡和外腔光柵；所述激光二極管發出的激光經過所述第一光學透鏡后準直射入所述外腔光柵，所述外腔光柵實現外腔反饋與激光輸出；其中所述外腔光柵外附著有壓電陶瓷；
[0008]所述飽和吸收譜穩頻單元與所述窄線寬激光產生單元相連，包括第二光學鏡、第三光學鏡、第四光學鏡、第五光學鏡、第六光學鏡、銣原子氣室、光電探測器、穩頻電路、控制電源；
[0009]所述第二光學鏡將所述窄線寬激光產生單元輸出的激光分為第一光路和第二光路，所述第一光路為所述緊湊型半導體激光裝置內部的穩頻反饋光路，所述第二光路經過所述錐形半導體放大單元進行功率放大后作為所述緊湊型半導體激光裝置的輸出光路；
[0010]所述第一光路經過第三光學鏡，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式進入所述銣原子氣室，所述第一子光路經過所述銣原子氣室后通過所述第六光學鏡進入光電探測器；
[0011]所述第三子光路依次經過所述第四光學鏡、第五光學鏡和所述第六光學鏡反射之后，反向進入所述銣原子氣室，與正向進入所述銣原子氣室的第二子光路重合；
[0012]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通過所述第六光學鏡進入光電探測器；
[0013]所述穩頻電路對所述光電探測器輸出的兩路電信號進行處理以獲得消除多普勒背景的吸收譜信號，所述穩頻電路對所述消除多普勒背景的吸收譜信號進一步處理后獲得以某一精細峰的中心頻率對應電壓零點的誤差信號，所述穩頻電路將所述誤差信號發送給所述控制電源，所述控制電源根據所述誤差信號控制所述窄線寬激光產生單元中外腔光柵外附著的壓電陶瓷兩端的電壓，以使所述緊湊型半導體激光裝置獲得穩定的激光頻率；
[0014]所述錐形半導體放大單元，與所述飽和吸收譜穩頻單元相連，用于提高所述第二光路的輸出功率。
[0015]進一步地，所述光電探測器和穩頻電路之間還設置有弱信號處理電路；
[0016]所述弱信號處理電路用于對所述光電探測器輸出的兩路電信號進行降噪、放大和濾波處理。
[0017]進一步地，所述第二光學鏡為具有低反高透性質的光學鏡，所述第二光學鏡用于將所述窄線寬激光產生單元輸出的激光分為第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路為所述緊湊型半導體激光裝置內部的穩頻反饋光路，所述第二透射光路作為所述緊湊型半導體激光裝置的輸出光路。
[0018]進一步地，所述第三光學鏡為厚度大于預設閾值的光學鏡片，以保證所述第一光路經過所述第三光學鏡之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常經過所述銣原子氣室；所述第二子光路在所述銣原子氣室內與方向改變后的第三子光路反向重合。
[0019]進一步地，所述激光二極管為發射中心波長為770?790nm、最大輸出功率小于或等于10mW的脊波導二極管；所述外腔光柵是平面反射式衍射光柵。
[0020]進一步地，所述銣原子氣室中的氣體為85Rb和87Rb的混合氣體。
[0021]第二方面，本發明還提供了一種雙光子偏振糾纏源產生系統，包括偏振糾纏光子對產生裝置以及上面所述的緊湊型半導體激光裝置；
[0022]所述緊湊型半導體激光裝置，用于產生泵浦光；
[0023]所述偏振糾纏光子對產生裝置，用于利用所述緊湊型半導體激光裝置產生的泵浦光產生偏振糾纏光子對。
[0024]進一步地，所述偏振糾纏光子對產生裝置包括功率調節單元和偏振糾纏光子對產生單元；
[0025]所述功率調節單元包括四分之一波片和半波片，用于對所述緊湊型半導體激光裝置產生的泵浦光進行功率調節；
[0026]所述偏振糾纏光子對產生單元包括二向色鏡、Sagnac干涉環、長通濾波器、耦合透鏡和保偏單模光纖；
[0027]所述二向色鏡對所述功率調節單元輸出的泵浦光進行泵浦光和參量光的分離，分離后的泵浦光進入Sagnac干涉環；
[0028]所述Sagnac干涉環為等腰直角Sagnac干涉環，所述等腰直角Sagnac干涉環由一片雙波長偏振分束棱鏡和兩片雙波長反射鏡組成；其中，周期性極化晶體處于所述干涉環的斜邊中央，雙波長半波片處于所述干涉環任一直角邊上；所述等腰直角Sagnac干涉環用于產生兩路糾纏光；
[0029]所述兩路糾纏光分別通過長通濾波器、耦合透鏡和保偏單模光纖，形成雙光子偏振糾纏光源。
[0030]進一步地，所述偏振糾纏光子對產生裝置還包括光束整形單元和/或泵浦束腰變換單元；
[0031]所述光束整形單元，位于功率調節單元之前，包括準直透鏡和/或柱透鏡，用于對所述緊湊型半導體激光裝置產生的泵浦光進行光束整形；
[0032]所述泵浦束腰變換單元，位于所述功率調節單元和所述偏振糾纏光子對產生單元之間，包括第一透光鏡和第二透光鏡，用于通過調節所述第一透光鏡和第二透光鏡的焦距大小來實現泵浦束腰與參量光目標束腰的匹配。
[0033]進一步地，所述雙光子偏振糾纏源產生系統還包括糾纏光光纖耦合測試裝置，所述糾纏光光纖耦合測試裝置用于測試所述偏振糾纏光子對產生裝置產生的偏振糾纏光子的糾纏亮度和/或糾纏特性。
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