专利名称：全光纤窄带宽单光子源的制作方法
技术领域：
本发明属于量子信息处理技术领域，是一种单光子源。
背景技术：
单光子源的定义是在任意时刻都可以发射且只发射一个光子的光源，数学表示为n＝|1>。是实现量子逻辑门、量子密钥分配、纠缠光子对及高精度量子测量等量子信息处理技术的必要工具。尽管人们尝试着采用各种方法来产生这种特殊的光源，但是事实上，现有的或将有的各种各样的可实现的单光子源都和定义的这种理想状态的单光子源有着或多或少的差距。从量子信息处理技术的实用的角度来讲，对于单光子源，人们关心的两个最重要的参数是可响应系统单光子请求而发出单个光子的时间间隔，也就是重复频率；以及响应系统请求而发射单个光子的概率。
目前广泛应用于量子密钥分配的单光子是由衰减的激光脉冲模拟的。激光的光子分布服从泊松分布，从一个脉冲中找到n个光子的概率p(n,μ)=μnn!e-μ,]]>其中，μ为每个脉冲包含的平均光子数；从一个脉冲中找到大于一个光子的概率p(n>1,μ)≈μ2;]]>而脉冲中不包含任何光子的概率为p(n＝0，μ)≈1-μ。由于多光子事件会使量子密钥分配的保密性受到影响，因此为了得到近似的单光子源，使得一个脉冲包含两个以上光子的概率远小于只包含一个光子的概率，激光脉冲需衰减到μ≈0.1。但是这种情况下，大部分的脉冲都是不包含光子的，因此数据率很低，而且由于单光子探测器暗计数的存在，每一次探测，即使是对一个不包含任何光子的脉冲的探测都会由于暗计数的存在而引入噪声，因此这种通讯系统信噪比也比较低。
一个有效的提高量子通讯数据率和信噪比的方法就是采用更好的单光子源，不仅提高整个系统的重复频率而且提高每个触发脉冲都包含单个光子的概率。途径通常有如下几种1)利用量子点，虽然由量子点产生的单光子已用于演示量子密钥分配实验和产生偏振纠缠的光子对，但是由于这种技术要求低于10k的温度，而且所产生纠缠光子的波长不可调，此外，将这种光子高效地与单模光纤耦合也比较困难。
2)利用被囚禁在高精细度腔内的单原子或分子，虽然这种技术原则上来讲可以产生非常接近理想状态的单光子，但单原子与分子的俘获本身就是非常复杂的技术。
3)利用基于晶体二阶非线性效应的参量下转换过程的量子关联的光子对，相对来讲，这种方法技术上较简单。描述这种单光子源的关键指标就是宣布效率H，其物理意义是在信号光波段出现一个光子时，孪生光子出现在闲置光波段的概率。然而，由于模式匹配的原因，在将这种光子与单模光纤高效地耦合时，也存在技术上的困难。目前这种单光子源的宣布效率比较低，尤其是带宽小于1纳米时，目前H的值小于0.5。
发明内容本发明的目的是解决上述方法中的不足，提供一种全光纤窄带宽单光子源，即用脉冲光来泵浦光纤，利用光纤内自发四波混频参量过程而产生的量子关联的光子对中一个光子探测作为触发来宣布其孪生光子存在的方法产生单光子。
本发明提供了提高单光子源宣布效率的方法，而且提高了一种可与现存光纤通讯网络集成的单光子源。运用于量子信息处理中，可提高系统的数据率和信噪比。
该全光纤窄带宽单光子源，依次包括1)光纤激光器用于产生高重复频率、传输极限的激光脉冲；2)带通滤波器消除泵浦激光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子；3)零色散位移光纤或微结构光纤用于产生量子关联的孪生光子对；两个中心频率为ωp的泵浦光子通过零色散位移光纤或微结构光纤的自发四波混频过程同时散射为频率分别为ωs和ωi的信号光与闲置光孪生光子对，其中2ωp＝ωs+ωi，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件；4)光纤偏振控制器FPC用于调整量子关联光子对的偏振方向，使得光子对可通过偏振分束器；5)光纤偏振分束器FPBS用于选择量子关联光子对的偏振，根据位相匹配条件，选择和泵浦光平行或垂直的光子对；6)滤波器频谱和泵浦脉冲匹配的滤波器，用于有效地隔离泵浦光，提取波长位于所选择的信号光ωs和闲置光ωi波段的光子对，使得单光子探测器APD每探测到一个光子，即宣布其孪生光子出现；7)单光子探测器用于探测信号光通道的信号光子，每一个探测事件会产生一个相应的电脉冲，这个电脉冲可用于宣布其位于闲置光通道的孪生光子的存在；8)单光子输出端由闲置光通道向外输出单光子。
本发明的优点和积极效果本发明不仅可以利用高重复频率的光纤激光器泵浦从而提高单光子的重复频率，而且由于在信号光和闲置光波段采用频谱和泵浦脉冲相匹配的滤波器，因而提高了宣布效率，尤其是带宽小于1纳米时。该发明和基于晶体的二阶非线性效应参量过程的单光子源相比具有如下优点1)所输出的单光子模式纯净，为高斯模；2)由于光纤的波导特性，作用长度可以很长，因此总的非线性效应比较高，因此对泵浦激光的功率要求比较低；3)光纤之间的耦合不仅效率高而且很容易实现，普通单模光纤的焊接损耗大约为0.01dB，微结构光纤和标准光纤的焊接损耗也小于0.3dB，因此基于光纤的单光子源更便于研究多个光子的相互作用，更便于研究量子逻辑门，更便于与现有光通讯网络集成可广泛应用于量子信息处理技术中。本发明的关键在于采用带宽为大约为1纳米的传输极限的泵浦脉冲，在于使信号光和闲置光波段的滤波器的频谱和泵浦光的相匹配，使得带宽小于1纳米的单光子光源的宣布效率大约为0.8。而且由于本发明所提出的系统可以采用重复频率大于40GHz的脉冲激光器做为泵浦源，因此所产生单光子的重复频率可大于3GHz。
本发明光纤激光器所发出的泵浦光脉冲满足传输极限条件，在带宽一定时，脉宽窄，峰值功率高，有利于抑制光纤中自发四波混频过程中的背景噪声。
这种窄带宽的全光纤单光子源全部由光纤器件构成，为开关式的可集成光量子器件，可广泛应用于量子密钥分配，量子逻辑门及量子纠缠态的实现等量子信息处理中。全部器件可集成在一个3U的标准机盒中。
图1是本发明装置全光纤单光子源结构示意图；图2是测量由光纤产生的光子对频谱关联特性的装置示意图；图3是由图2所示的实验装置所产生的实验结果，即真复合计数与闲置光滤波器中心波长的函数关系图；图4是采用具有高斯频谱和近似矩形频谱的滤波器时，真复合计数和信号光通道光子探测率与闲置光通道总探测效率乘积的函数关系图。
具体实施方式
实施例1单光子源如图1所示，小体积的高重复频率的光纤激光器，发射传输极限的激光脉冲，在泵浦光纤前经过中心频率为ωp的带通滤波器，以消除泵浦激光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子。量子关联光子对的产生于300-500米零色散波长大约为ωp的零色散位移光纤或10-20米具有高非线性系数且在光通讯波段自发四波混频增益较高的微结构光纤(MF，microstructure fiber)中，光纤的输出经过频谱和泵浦脉冲相匹配的滤波器，高效地选择频率分别为ωs和ωi信号光、闲置光孪生光子对的同时有效地隔离泵浦光，其中2ωp＝ωs+ωi。光纤偏振控制器FPC和光纤偏振分束器FPBS用于选择量子关联光子对的偏振，根据不同的位相匹配条件，可以选择和泵浦光平行的光子对也可以选择和泵浦光垂直的光子对。系统的单光子触发请求为单光子探测器对信号光通道信号光子的探测而产生的电脉冲，闲置光波段矩形滤波器的输出为单光子。该单光子源的宣布效率约为80％，重复频率可达3GHz，全部器件可集成在一个3U的标准机盒中。
实施例2光纤产生的光子对的频谱关联特性实验如果利用光纤的自发四波混频过程中的量子关联的光子对来产生单光子，那么就既可以利用技术上相对简单的参量转换过程中产生的量子关联的光子对来产生单光子，又可以提高单光子源与光纤的耦合效率，尤其是光纤产生的光子对的频谱关联特性为提高宣布效率提供了依据。
光纤产生的光子对的频谱关联特性由图2所示的实验装置测得。中心波长分别为ωs和ωi的具有量子关联特性的信号和闲置光孪生光子对由中心频率为ωp的两个泵浦光光子通过光纤的自发四波混频过程同时散射而产生，其中2ωp＝ωs+ωi，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件。当位相匹配条件满足时，这种散射的可能性大大增加。脉宽大约为4皮秒的泵浦脉冲经光纤放大器EDFA放大，并经过带通滤波器Filter以消除泵浦光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子后，中心频率ωp为1536纳米、脉宽为5皮秒，且3dB带宽为0.8纳米的高斯型频谱的脉冲激光泵浦由50/50分束器和300米零色散波长大约为1536纳米的零色散位移光纤构成的Sagnac环，调整光纤偏振控制器FPC使得Sagnac环为一高反镜时，在输出端可得到Raman散射光子、关联光子对和衰减30dB后的剩余泵浦光子。具有高反射与低偏振依赖特性的全息光栅G1-G3构成的频谱为高斯型、3dB带宽为0.6纳米的滤波器，用于有效地隔离泵浦(隔离度大于75dB)，提取波长位于所选择的信号光ωs和闲置光ωi波段的光子对。由于孪生光子对是同时产生的，因此对其中一个光子的探测必然对应着和它一起产生的另一个孪生光子，也即一个单光子事件的发生。实际上，由于系统中不可避免地存在着损耗、以及信号光ωs和闲置光ωi通道滤波器的频谱失配，并非每个光子探测信号都能触发单光子的产生。在闲置光通道探测到单光子的概率R＝ξ·ηif·ηid·Rs，其中Rs是信号光通道探测到光子的概率，ηid是光子由光纤环输出到到达单光子探测器的效率与探测器效率的乘积，ηif是闲置光在光纤环内的效率，系数ξ来源于滤波器在泵浦光、信号光和闲置光通道的频谱失配，理想情况下ξ＝1。宣布效率H可以表示为H＝ξ·ηif，由于光纤及构成光纤环的光纤器件，如50/50分束器的损耗可以非常小，以至忽略不计，因此这里提高宣布效率H的关键是了解泵浦光和关联光子对的频谱关联特性以找出解决问题的方案。需要指出的是，以孪生光子对中的信号光的探测作为触发而测得闲置光波段的单光子的探测率事实上就是信号光和闲置光光子对的真复合计数概率Rt，也即R＝Rt。真复合计数是复合计数与随机复合计数之差，可以表示为Rt＝Rc-Ra＝ξ·ηif·ηid·Rs，其中Rc和Ra分别为同一个泵浦脉冲和相邻脉冲产生的信号与闲置光子的复合计数和随机复合计数。当泵浦光和信号光波段滤波器的中心频率分别固定在1536和1547.5纳米，以步长为0.1纳米从1523到1527纳米扫描闲置光滤波器的中心波长，并通过单光子探测器APD1和APD2记录不同泵浦功率下信号与闲置光子的复合计数和随机复合计数时，可得到如图3所示的表征泵浦光和关联光子对的频谱关联特性的真复合计数Rt和闲置光滤波器中心波长的函数。图3中的方块和三角分别表示每个泵浦脉冲中包含108和0.4×108个光子时测得的数据；粉色与绿色的曲线分别为高斯函数f(λ)＝exp[((λ-1524.69)/2×0.9)2]和f(λ)＝0.11exp[((λ-1524.69)/2×0.75)2]，是两组数据的拟合曲线。图3中的插图为泵浦光在以上两个不同的泵浦功率下，在输出端的频谱，他们的3dB带宽分别为0.9和1.4纳米。图3所示的频谱关联特性表明，如果用频谱形状为矩形的滤波器代替高斯型的，系数ξ的值将增大。
图4是分别采用由波分复用滤波器(WDM)构成的频谱形状为近似矩形的四阶超高斯型滤波器和光栅构成的DGF高斯型滤波器测得的真复合计数和由四波混频产生的在信号光通道的光子探测率与闲置光通道的总探测效率η的乘积的函数关系，其中η＝ηif·ηid。WDM和DGF滤波器在信号与闲置光波段的中心波长均为1541和1531纳米，3dB带宽分别为1纳米和0.9纳米。图中的圆点和方块分别表示用WDM和DGF滤波器时测得的数据；直线是函数Rt＝Rc-Ra＝ξ·ηif·ηid·Rs对数据的拟合，其斜率即为两种实验条件下的系数ξ。显然，采用具有近似矩形的超高斯型频谱的滤波器时，得出的系数ξ＝0.76大于采用高斯型DGF时得到的ξ＝0.6。这个结果进一步表明采用频谱形状为矩形的滤波器可得到较高的ξ值。
系数ξ的值不仅和滤波器的频谱形状有关，和带宽也有关系。一般来讲，如果所产生的光子都来源于自发四波混频，假设泵浦光、信号光和闲置光的滤波器均为高斯型，系数ξ和滤波器带宽具有如下关系ξ∝1/(ΔωP/ΔωF)2+1,]]>其中Δωp和ΔωF分别为泵浦光和关联光子对滤波器的带宽，显然ΔωF越大，ξ值越趋于1。
量子信息处理要求单光子源产生多光子事件的概率远小于只产生一个光子的概率。考虑到关联光子对的光子数分布为玻色爱因斯坦分布，从一个脉冲中找到n个光子的概率p(n，n)可以表示为p(n,n‾)=n‾n(1+n‾)n+1,]]>其中n为每个脉冲产生光子对的平均数。因此为了满足多光子事件的概率远小于发生单光子事件的概率，光子对的产生率需低于每个脉冲0.1对。由于光子对的产生率和信号与闲置光子的滤波器的脉宽成ΔωF成正比，因此ΔωF越大，获得一定的光子对产生率所需要的泵浦功率越低。因为光纤的自发四波混频过程中不可避免地伴随着拉曼散射；因为孪生光子对的产生和泵浦光的峰值功率的平方成正比而拉曼散射的强度和泵浦光的平均功率成正比，所以AωF不能太大，否则，所探测到的光子中拉曼散射的光子所占的比率将，从而导致单光子源的质量下降。例如，对于孪生光子对偏振于泵浦光一致且频率失谐较小时的四波混频ξ∝1/[((ΔωP/ΔωF)2+1)·(1+1/ΔωP/ΔωF)2],]]>此时，当Δωp/ΔωF的值在1附近时，ξ有极大值。另外，由于窄带光子有较长的相干长度，许多量子信息处理需要窄带的单光子源来实现，这个需要也使得所选择的滤波器带宽不能过大。
鉴于以上分析，我们可得出结论基于光纤的量子关联的光子对适于用作窄带的单光子源，对其中一个光子探测作为触发可高效率地宣布其孪生光子，也即单个光子的产生。采用重复频率高的光纤激光器可提高单光子的重复率；采用窄脉宽的泵浦激光有利于提高峰值功率，减小背景噪声；信号与闲置孪生光子对经过3dB带宽大约为1纳米且频谱与泵浦脉冲相匹配的近似矩形的滤波器有利于提高宣布效率。
权利要求
1.一种全光纤窄带宽单光子源，其特征是该装置依次包括1)光纤激光器用于产生高重复频率、传输极限的激光脉冲；2)带通滤波器消除泵浦激光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子；3)零色散位移光纤或微结构光纤用于产生量子关联的孪生光子对；两个中心频率为ωp的泵浦光子通过零色散位移光纤或微结构光纤的自发四波混频过程同时散射为频率分别为ωs和ωi的信号光与闲置光孪生光子对，其中2ωp＝ωs+ωi，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件；4)光纤偏振控制器FPC用于调整量子关联光子对的偏振方向，使得光子对可通过偏振分束器；5)光纤偏振分束器FPBS用于选择量子关联光子对的偏振，根据位相匹配条件，选择和泵浦光平行或垂直的光子对；6)滤波器频谱和泵浦脉冲匹配的滤波器，用于有效地隔离泵浦光，提取波长位于所选择的信号光ωs和闲置光ωi波段的光子对，使得单光子探测器APD每探测到一个信号光光子ωs，即宣布闲置光孪生光子ωi的产生；7)单光子探测器用于探测信号光通道的信号光子，每一个探测事件会产生一个相应的电脉冲，这个电脉冲可用于宣布其位于闲置光通道的孪生光子的存在；8)单光子输出端由闲置光通道向外输出单光子。
全文摘要
全光纤窄带宽单光子源。包括光纤激光器、带通滤波器、零色散位移光纤或微结构光纤、光纤偏振控制器FPC、光纤偏振分束器FPBS、滤波器、单光子探测器、单光子输出端。本发明的关键在于采用带宽为大约为1纳米的传输极限的泵浦脉冲，在于使信号光和闲置光波段的滤波器的频谱和泵浦光的相匹配，使得带宽小于1纳米的单光子光源的宣布效率大约为0.8。而且由于本发明所提出的系统可以采用重复频率大于40GHz的脉冲激光器做为泵浦源，因此所产生单光子的重复频率可大于3GHz。该单光子源全部由光纤器件构成，为开关式的可集成光量子器件，可广泛应用于量子密钥分配，量子逻辑门及量子纠缠态的实现等量子信息处理中。全部器件可集成在一个3U的标准机盒中。
文档编号G02F1/35GK1888968SQ20061001440
公开日2007年1月3日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者李小英 申请人:天津大学