全光纤频率纠缠光子源的制作方法

专利名称：全光纤频率纠缠光子源的制作方法
全光纤频率纠缠光子源技术领域：
本发明属于量子信息科学技术领域，是一种频率纠缠光子源。背景技术：
量子纠缠是指物理上可分离的多子系量子系统之间的非局域关联，也即对 一个子系统的测量结果无法独立于其它子系统的测量参数。量子纠缠不仅是能够用来检验 量子力学基本定律，还是实现量子信息处理(如量子计算，量子隐形传态，和量子保密通 信)的必要工具。构成纠缠的粒子可以有很多种，如原子，离子等，但由于光子独特的传 输特性，纠缠光子更适于传输量子信息。光子间可以纠缠的自由度有很多，例如偏振、动量和位置、频率以及光场的正交振幅 和位相分量等。这些丰富的自由度不仅为研究量子物理的根本问题提供了方便，也为量子 信息技术的编码和解码提供了方便。几十年的研究表明光学参量过程是产生量子纠缠光子的一种有效的方法。利用晶体二 阶非线性X②效应的自发辐射光学参量下转换过程产生是产生纠缠光子的一种常用的方 法，通过这种方法已经产生了多种自由度的纠缠光子，包括偏振、能量和时间、动量和位 置、频率以及光场的正交振幅和位相分量等。已经完成的多数的量子信息实验采用的都是 利用这种方法产生的纠缠光子。然而，由于模式匹配的原因，在将这种关联光子高效地耦 合进光纤进行存储、操控及传输时，工程上实现起来非常困难。与之相比，基于光纤克尔 三阶非线性X③效应的四波混频参量过程产生的关联光子对，因其传输模式单一且便于与 光纤耦合，体现了明显的优势。目前利用光纤中的自发四波混频过程已经产生了多种纠缠 光子，这些自由度包括偏振、能量和时间序列、以及光场的正交振幅和位相分量。与晶体 二阶非线性X②效应的自发辐射光学参量过程所产生的纠缠光子相比，基于光纤的纠缠光 子的自由度还不够丰富。为了有效的利用基于光纤的纠缠光子在存储、操控及传输方面的 优点，有必要发明利用光纤产生各种自由度的高质量纠缠光子源。
发明内容本发明目的是解决现有技术存在或工程上实现起来非常困难，或纠缠光子 的自由度还不够丰富的问题，提供一种全光纤频率纠缠光子源。本发明提供了一种利用光纤产生频率纠缠光子的方法，可用于实现光与原子相互作用 和连续变量单光子量子通讯。本发明采用一中心频率为①p的激光脉冲泵浦由50/.50分束器，光纤、光纤偏振控制器 和环行器构成的具有特殊叠加效应的Sagnac光纤环，使得激光泵浦脉冲在光纤中通过自 发四波混频产生的孪生光子对的信号和闲置光子分别从Sagnac光纤环的两个不同的端口 输出，而不是从同一 个端口输出。若Sagnac光纤环的两个输出端口分别为端口r和端口2'，则输出光子的状态为频率纠缠态k〉rh〉2,+IOs〉2,，其中，Ws和COi分别表示信号光子 和闲置光子的频率。也即当信号光子l化〉从端口 r输出时，其孪生的闲置光子l^〉一定出现在端口2'，反之亦然。本发明的关键在于发明了一种可以在任意分束比的Sagnac光纤环中，相向传输量子 态在50/.50分束器耦合时满足模式匹配的原理和方法，并在此基础上发明了能够产生频率 纠缠光子对的全光纤频率纠缠光子源。本发明提供的全光纤频率纠缠光子源依次包括泵浦光光源用于产生泵浦光；95/5分束器用于将95X的泵浦光输入Sagnac光纤环，用5%的泵浦光监视泵浦功 率；Sagnac光纤环依次由环行器、50/.50分束器、光纤和第一光纤偏振控制器构成， 其中，环行器用于将Sagnac光纤环反射的光子输出；50/50分束器用于分离泵 浦光和对相向传输的光子对进行耦合；光纤用于产生量子关联的孪生光子对； 第一光纤偏振控制器用于补偿光纤双折射且引入相移；该Sagnac光纤环中的光纤选用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cop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Q)S和coi的信号光与闲置光孪 生光子对，其中26^-^+A，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件。90/10分束器用于向Sagnac光纤环注入参考信号光和输出散射光子；第三光纤偏振控制器与90/10分束器的90%端连接，用于调整经由90/10分束器 输出光子的偏振；第一光纤偏振分束器与第三光纤偏振控制器连接，用于选择输出光子的偏振；第一信号光、闲置光和泵浦光带通滤波器与第一光纤偏振分束器连接，用于将光 纤内由自发四波混频产生的信号和闲置光子与泵浦光分离，选择与信号光和闲 置光中心频率一致的光输出；第四光纤偏振控制器与Sagnac光纤环中的环行器连接，用于调整由环行器输出的 Sagnac光纤环反射的光子的偏振；第二光纤偏振分束器与第四光纤偏振控制器连接，用于选择输出光子的偏振；第二信号光、闲置光和泵浦光带通滤波器与第二光纤偏振分束器连接，用于将光 纤内由自发四波混频产生的信号和闲置光子与泵浦光分离，选择与信号光和闲 置光中心频率一致的光输出。 所述的泵浦光光源的组成依次包括 光纤飞秒激光器用于输出激光脉冲；第一泵浦光带通滤波器连接光纤飞秒激光器，用于消除泵浦激光中所包含的频率在 O)S和CDi波段的光子(透射端口)；光纤放大器与泵浦光带通滤波器连接，用于放大第一泵浦光带通滤波器透射端口输 出的激光脉冲的功率；第二泵浦光带通滤波器与光纤放大器连接，用于消除泵浦激光中所包含的波长在COS 和(0i波段的光子，并将透射端输出的泵浦激光输入到95/5分束器。本发明提供的纠缠光子源还包括一个用于产生调整系统参数的参考信号光光源，其组 成依次包括光纤飞秒激光器用于输出激光脉冲；第一泵浦光带通滤波器连接光纤飞秒激光器，用于提取频率不在泵浦光中心频率op 波段的光子(反射端口)；信号光带通滤波器与第一泵浦光带通滤波器反射端口连接，用于提取频率在(Di波段 的光作为参考信号光；第二光纤偏振控制器与90/10分束器的10%端连接，用于调整注入90/10分束器的 参考信号光的偏振。本发明的工作原理及纠缠光子源的调试(1)全光纤频率纠缠光源的工作原理如图1所示，Sagnac光纤环由50/50分束器、光纤(图1中实线)和光纤偏振控制器 组成，光纤偏振控制器可用来控制和补偿光纤中的双折射。我们假设光纤为不引入双折射 的理想光纤，而光纤偏振控制器的作用是控制相移。设Sagnac光纤环在如图1中坐标所示的xz平面内，入射激光泵浦脉冲从端口 1沿z 方向输入光纤，经过50/50分束器后分为两束光，分别耦合到端口 3和4，进入端口 4的 光相对于端口 3的光有;r/2的相位延迟。端口 4和端口 3的两束光分别沿顺时针和逆时针 方向相向传输，然后再在50/50分束器处耦合输出到端口 l'和端口2'。设入射激光泵浦脉冲的光场为《A =5￡p1;f+5)￡^"其中i 表示坐标方向， Epu(Ep一表示入射激光泵浦脉冲在i (JO方向的光场分量，若50/50光纤分束器无损耗， 则相向传输的泵浦光场<formula>formula see original document page 6</formula>y可以表示为<formula>formula see original document page 6</formula>
为简便起见将环内光纤分为两段ab段和bc段。依据图1中坐标，光场在经过ab段M 0、时，x分量会改变符号。相当于经过0 1传输矩阵。假设光纤中的双折射仅由偏振控制器引入，且偏振控制器位于bc段。若对沿顺时针传输的光场而言，光纤偏振控制器的k人,、等价琼斯矩阵为厶- / 、、;j"乂，则逆时针方向传输光场的琼斯矩阵为其转置々=、々 4乂设两束相向传输的泵浦光场在50/50分束器重新耦合时可记为，贝廿^t '3(4) = Jf五/ '3(4);t + j^/ '3(4)y可以表达为j戸^w人0 i人五a"O r-o、v 乂0 1(2)经计算可知:《=i(-17,^ + ^ ) ,1 ^五Au = 2 (义氣 - 々,i》1 i;(3)* =2 "砂机+J,!》假设光场￡,3和巧7'4模式匹配，因光纤内空间模式匹配条件自动满足，所以也即偏振方向相同，两者关系可表示为《=^鸟，其中^为两者位相差。那么，两束光在50/50光 纤分束器的重新耦合，原理上等同于经过如图2所示的自由空间50/50分束器。其泵浦场 的输出Epf和EpZ为(4)在分析泵浦光状态的基础上，可以进一步分析Sagnac光纤环内光子对的状态。相向 传输的两束光|￡/73|-|￡>4| = ^，均通过自发四波混频过程以一定的几率产生与其偏
振一致的信号和闲置光子对|603|^〉3和|化〉4|叫〉4，其中下角标3 (或4)表示光子对在Sagnac光纤环中的传播方向为顺(逆)时针方向。由于光子对会携带泵浦光子的相位信息， 因此相向传输的光子对位相差为2-。在这种情况下，对信号和闲置光子对而言，Sagnac 光纤环的输入状态可以表示为|伊、=(|0〉3 +/7|a〉」％〉3) (|0〉4 +e'2 |"》4|化〉4)，其中"是和光纤内四波混频增益有关的系数。如果在50/50光纤分束器处重新结合时，光子对 状态| ,〉3|^〉3和|^〉4|^〉4模式完全匹配，则Sagnac光纤环的输出状态则可以表示为[注1，注2〗<formula>formula see original document page 8</formula> (5)其中，下角标1'和2'表示图1中Sagnac光纤环的两个输出端口。由公式(5)可知， 当--|或- =宇时，输出状态| ,〉1=|^〉1,|^〉1,—| ,〉2,h〉2,;而当^-0或(^;r时，输出状态l化,〉2—fi^,h〉2,+k〉2,h〉^在前一种情况下，由同一激光泵浦脉冲产生的一对频率非简并的信号和闲置光子l必》和l^〉由Sagnac光纤环的同一端口输出。在后一种情况下，尽管对于任何一个信号或闲置光子而言，它会随机地出现在任意一个输出端口， 但是由同一激光泵浦脉冲产生的一对信号和闲置光子分别由Sagnac光纤环的不同端口输 出当信号光子出现在端口 l'时，则闲置光子出现在端口 2'，当闲置光子出现在端口 2' 时，则信号光子出现在端口 l';此时，对于Sagnac光纤环输出的每一个信号与闲置光子， 无法区分它是由顺时针还是逆时针方向传播的泵浦光产生，这种不可区分性是产生频率纠 缠光子对的根源。根据式(5)，频率纠缠光子的产生要求满足条件2^-2";r，其中n为整数。由于光场五/ '3和@'4偏振方向相同，当0 = 0时，￡^31=￡/4，五/^-五义"对应泵浦场的输出为-.l一'f 一，i一， J ^ , . , ,<formula>formula see original document page 8</formula>对应泵浦场的输出为^^=*^^(』5-1)， S/^=^:《p3(l-e'"。上述分析说明，当Sagnac光纤环输出频率纠缠的光子对时，透射光和反射光^ ;和^ ;功率相等(Sagnac光 纤环的分束比为50%)且偏振态相同。因此，从原理上讲，可以通过控制Sagnac光纤环 中泵浦场的透射光和反射光的偏振态和功率来满足产生频率纠缠的条件。(2) Sagnac光纤环中模式匹配实现与频率纠缠光子对的输出上述分析是在光纤不引入双折射、而光纤偏振控制器的作用是控制相移的假设下得到 的，但是在实际上，任何一种光纤，包括单模光纤都不可避免地存在不同程度的双折射， 不仅Sagnac光纤环内传输的泵浦场的偏振会随着环境而变化，并且其输出泵浦场的透射
光和反射光的偏振态的偏振是不可以比较的。也即式(5)中所要求的模式匹配的前提条件 通常不能得到满足。所以，我们需要分析怎样在实际的Sagnac光纤环中实现光子对模式 匹配，从而产生高纯度频率纠缠光子对。实现模式匹配的基本思想是利用偏振控制器，不仅引入相移，而且可以补偿光纤的双 折射。偏振控制器可视为如图3所示的多个波片组合，假设波片组合顺时针依次为主 ,，其中人(=^， c为真空中光速)表示泵浦光的波长。圣与入射光的 "2242" <yp 偏振态有关，用于补偿光纤的双折射，将通过^波片的泵浦光变为线偏光。设入射泵浦光场x方向和y方向分量的相位差为a，贝lj^ ,-J^户cosp + e'"J^户sinp，其中Ep表示入射泵浦光的振幅，cp为泵浦光与x轴夹角。当^引入的相对相移等于-a时，A和吞结合起来就可以将任意偏振态的泵浦光场变为沿x或y方向偏振的线偏光。由于相向传输的、沿x或y方向偏振泵浦光场经过4和^的顺序不同，因此可在两束光之间引入相对相位差2 4(土)i，考虑到输入的泵浦光E化在经过50/50分束器后，相向传输的Ep3和Ep4之间已经 有i相移，此时有可能满足--O或--;r。设图3中各个波片(^4^，A4,^)的快轴与x轴方向夹角依次为4,《，^，0,《,S。 对顺时针传播的泵浦光场而言，偏振控制器的等价琼斯矩阵为<formula>formula see original document page 9</formula>(6)将公式(6)代入公式(3)，并分析当—0是，波片组合满足￡/4-￡^, ￡/^=￡/^， 以及--;r时，波片组合满足￡/4=-￡^41， ￡/^的条件。当<formula>formula see original document page 9</formula>^时，可得到下面的方程<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
二一五"=je5[cos(2《—2《—伊)+cos伊cos(2<92 + 2《)]_sin伊sin(2<92 + 2《)j (8) 方程(7)和(8)的解为^w + 2/n +1 伊《=-;r+乙24 23ra — 2附一1;r - 2(9)4 2其中n， m为整数。当111=11=0或111=0， n-l时，可得下面的特解:一^ I ， <《=7 2 2 21￡ 2 2《4 2;r 伊《J ， - 2II^ ， 2《(10)---- ---1 2 2L 4 2 同理，当--;r时，五;4=-^^￡^=-￡)4时，可得到下面的方程(26>2 + 2《)-sin (2《-2《—p)+sin ,s (2《+ 2《)} (11)￡3y + ￡"4y = —eto je'5 sin伊sin (2《+ 2《)+cos (26>2 — 2《—伊)—cos炉cos (26>2 +26^)1 (12) 方程(11)和(12)的解为2 4 2附一 2w 伊《=-;r一4 2当m-n^0或m-0， n=l时，可得下面的特解:(13)2 2《=—殳 22 4 2 —;r 伊 一7一I《=2 2 2 1 2 26 —+二 4 2;r 伊(14)由式(9)一 (14)可知，尽管光纤中存在的双折射会影响光子对在50/50分束器处耦合 时所需要满足的模式匹配，但通过适当地调整Sagnac光纤环内的偏振控制器，可以在补 偿光纤的双折射的同时，控制公式(5)中的参数(p，得到高纯度频率纠缠光子对。为了解决Sagnac光纤环输出泵浦场透射光和反射光的偏振态偏振难以比较，从而使 得模式匹配难以实现的困难，可以考虑将信号光从Sagnac光纤环的端口 2输入。当信号 光的偏振和泵浦光在Sagnac光纤环内一致时，信号光的四波混频增益最大。所以在四波
混频增益最大的条件下，被放大信号光的反射(透射)场和泵浦光的透射(反射)场的偏振也是一致的。因此，可以通过控制Sagnac环的分束比，以及使泵浦光透射(反射)场 和被放大信号光和反射(透射)场偏振一致的方法来实现产生频率纠缠所需满足的模式匹 配。(3)实现模式匹配的装置——纠缠光子源的调试如图4所示，将光纤飞秒激光器1发出的光经过第一泵浦光带通滤波器2和带通滤波 器20后，得到皮秒级的泵浦光和信号光脉冲。第一泵浦光带通滤波器2透射端口输出的 光经过光纤放大器3和第二泵浦光带通滤波器4后得到激光泵浦脉冲。在将激光泵浦脉冲 输入由光纤8、第一光纤偏振控制器9， 50/50分束器7、和环行器6构成的Sagnac光纤环 12的同时，将路径和激光泵浦脉冲匹配的参考信号光通过90/10分束器10注入Sagnac光 纤环12。由于四波混频的参量过程中，在Sagnac光纤环内，与泵浦光偏振一致的信号光 会得到放大，所以调节第二光纤偏振控制器11使得泵浦光和信号光的偏振在Sagnac光纤 环内一致，此时在端口 1'和端口 2'可观察到被放大、且偏振与泵浦光一致的信号光。然 后调整第三光纤偏振控制器13,使得通过第一光纤偏振分束器14、和第一带通滤波器15 的泵浦光功率最小(功率计18数值最小)；接着，再调整第一光纤偏振控制器9，不仅使 通过第二带通滤波器16的泵浦光功率(功率计19的数值)为最大通过功率的50%，而 且使通过第三光纤偏振控制器13，第一光纤偏振分束器14、和第一带通滤波器15的信号 光功率也最小(功率计17数值最小)。此时通过端口 2'的泵浦光透射场和信号光反射场偏 振相同，相向传输的光子对在50/50分束器7耦合时，满足模式匹配的条件。模式匹配调整完成后，将参考信号光的输入断开，在环行器6的反射端口 l'接入第四 光纤偏振控制器21和第二光纤偏振分束器22，如图5所示。调整第三、第四光纤偏振控 制器13和21，使得从第一、第二光纤偏振分束器14和22输出的散射光子的偏振与泵浦 光平行，此时Sagnac光纤环输出的通过第一、第二带通滤波器15和16的信号和闲置光子对为频率纠缠光子对 k。w〉2-k〉」叫〉2,+h〉2,h〉,，，而不是本发明的优点和积极效果本发明为一个全光纤频率纠缠光子源，其中的核心器件是由光纤、以及50/50光纤分 束器和光纤偏振控制器构成的具有特殊性质sagnac光纤环，使得由激光泵浦脉冲通过光纤 中的自发四波混频过程产生的一对频率非简并信号与闲置光子分别从sagnac光纤环不同 的输出端口输出，从而得到频率纠缠的光子。若sagnac光纤环的两个输出端口分别为端口 l'和端口2'，则当出现在端口 r的光子为信号光子时，其孪生的闲置光子一定出现在d端 口2'，反之亦然。和利用光纤产生的偏振纠缠及能量和时间序列等有限维态矢空间的纠缠光子对相比，本发明全光纤频率纠缠光源的态矢空间为无穷维连续变量；和现有的利用晶体的 二阶非线性效应产生的频率纠缠光子对相比，本发明全光纤频率纠缠光源具有模式纯净的 优点，而且可选用具有不同色散特性的光子晶体光纤，灵活地产生不同波段的频率纠缠光 子对；此外，由于采用全光纤结构，所以本发明还具有体积小、易操作的优点。这些优点 使得本发明在光与原子相互作用和连续变量单光子量子通讯领域有着广泛的应用前景。
:图l是Sagnac光纤环中光场传输原理图；图2是自由空间50/50分束器光场叠加的原理图；图3是Sagnac光纤环中光场偏振变化原理图；图4是Sagnac光纤环中实现产生频率纠缠的调整装置；图5是全光纤频率纠缠光子源的装置；图6(a)是全光纤频率纠缠光子源中，从Sagnac光纤环同一输出端口测量信号光子和 闲置光子的单通道计数和符合计数的装置；(b)是第一带通滤波器15在信号光通道的频 谱；(C)是第一带通滤波器15在闲置光通道的频谱；(d)是测量结果；图7 (a)是全光纤频率纠缠光子源中，从Sagnac光纤环不同输出端口测量信号光子和闲置光子的单通道计数和符合计数的装置；(b)是测量结果； 图8是演示频率纠缠量子干涉的装置； 图9是单光子探测器符合计数和精密平移台位置的关系图。图中，1.光纤飞秒激光器；2.第一泵浦光带通滤波器；3.光纤放大器；4.第二泵 浦光带通滤波器；5. 95/5分束器；6.环行器；7. 50/50分束器&光纤；9.第一光纤偏 振控制器；10. 90/10分束器；11.第二光纤偏振控制器；12. Sagnac光纤环；13.第三光纤偏 振控制器；14.第一光纤偏振分束器；15.第一信号光、泵浦光和闲置光带通滤波器；16.第 二信号光、泵浦光和闲置光带通滤波器;；17.功率计；18.功率计；19.功率计；20.信号光带 通滤波器；21.第四光纤偏振控制器；22.第二光纤偏振分束器；23和24单光子探测 器；25，单光子计数系统；26. 50/50光纤分束器；27.光纤偏振控制器；28.由反射镜和 精密平移台构成的延时装置。具体实施方式
实施例l:全光纤频率纠缠光子源组成如图5所示，本发明提供的全光纤频率纠缠光子源依次包括-泵浦光光源用于产生泵浦光；依次包括光纤飞秒激光器l、第一泵浦光带通滤波 器2、光纤放大器3、第二泵浦光带通滤波器4。
参考信号光光源用于产生参考信号光；依次包括光纤飞秒激光器l、第一泵浦光 带通滤波器2、信号光带通滤波器20。95/5分束器5，和依次由环行器6、 50/.50分束器7、光纤8和第一光纤偏振控制器9 构成Sagnac光纤环12，光纤8选用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cop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。s和coi的信号光与闲置光孪生光子对，其中 2 p = & + a ，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件。90/10分束器10，第二光纤偏振控制器ll,第三光纤偏振控制器13，第一光纤偏振 分束器14，和第一信号光、泵浦光和闲置光带通滤波器15，以及第四光纤偏振控制器21， 第二光纤偏振分束器22和第二信号光、泵浦光和闲置光带通滤波器16。以上全光纤频率纠缠光子源的具体调试过程同发明内容部分，此处略。 实施例2:全光纤频率纠缠光子源的输出状态为|<^〉2=|化〉1,|^〉2,+| 5〉2,|必,〉1,，而不是如图6(a)所示，激光器1输出的激光的脉宽为70fs，中心波长和频谱宽度分别为1550nm 和50nm。 Sagnac光纤环由光纤(300米置于液氮中的零色散波长为1538纳米的零色散位 移光纤)8、以及50/50光纤分束器7、光纤偏振控制器9和光纤环行器6构成。经过滤波器2，放大器3和滤波器4得到的泵浦光的中心波长X(-^)和带宽分别为1538 .2纳米 和5皮秒。中心波长分别为^=^=1544.5纳米和>^==^=1531.9纳米的信号和闲置光必s 份i子对产生于光纤8中。当沿顺时针和逆时针方向传播的光子对在50/50分束器7耦合，不 仅偏振方向相同，而且相向传输的两束泵浦光相移为n;i(n为整数)时，Sagnac光纤环的输出状态为lL〉2-k〉rk〉2,+l份丄MX,，而不是lLXH^〉rk〉r一k〉2.W2.。图6(b) 和(c)是滤波器15在信号光和闲置光通道的频谱，可以看到它们的中心波长分别为1544.5 纳米和1531.9纳米，且进一步的测试说明这两个通道对泵浦光子的隔离度大于100dB。调整图6(a)中端口 2'的光纤偏振控制器13使得和泵浦光平行的散射光子通过偏振分 束器13后，再通过带通滤波器15输出信号光子和闲置光子，并分别用单光子探测器23 和24测量，探测器23和24的输出信号输入计算机控制的单光子数据采集系统25，分析 和记录两个探测器的单通道计数和符合计数。图6(d)是输入泵浦光的平均功率变化时，由 同一脉冲产生光子的符合计数和根据单通道计数计算的随机符合计数的结果。从图6 (d) 可知，符合计数和随机符合计数基本相同，说明测量的信号光子和闲置光子间无量子关联， 此时Sagnac光纤环同一端口输出的信号和闲置光子不是由同一脉冲产生的光子对，即输
出的状态不是I伊J, H伤丄h〉v-k〉2.h〉2,接下来，我们再观察Sagnac光纤环不同输出端口的信号和闲置光子的关联情况。实 验装置如图7所示。图7和图6的不同之处在于端口 2'的光纤偏振控制器13可使得通过 偏振分束器14的和泵浦光平行的散射光子通过后，再带通滤波器15只选择信号光子 (1544.5纳米)；而端口 1'的光纤偏振控制器21使得通过偏振分束器22和泵浦光平行的 散射光子通过，再由带通滤波器16只选择闲置光子；然后用单光子探测器23和24分别 测量滤波器15和16输出的信号光子和闲置光子，并用单光子数据采集系统25记录和分 析探测器23和24的单通道计数和符合计数。带通滤波器16的频谱和15相同，其闲置光 通道的中心波长也是1531.9纳米。从图7 (b)可知，符合计数远大于随机符合计数，体 现了两个端口输出的信号光子和闲置光子之间的量子关联，说明了 Sagnac光纤环不同端 口输出的信号和闲置光子是由同一脉冲产生的光子对，即输出的状态是l伊。w〉2叫化〉,甲h〉2,+l化〉2,h〉r。实施例3:频率纠缠光子对的拍频量子干涉如图8所示，全光纤频率纠缠装置中，调整Sagnac光纤环端口 2'的光纤偏振控制器 13，使得通过偏振分束器14的散射光子的偏振和泵浦光的平行，同时调整端口 l'的光纤 偏振控制器21，使得通过偏振分束器22的散射光子的偏振和泵浦光的平行；然后分别将 通过偏振分束器14和22的光子进行路径匹配后，输入50/50光纤分束器26的两个输入 口，其中端口 l'输出的光子经过由反射镜和精密平移台构成的延时装置28和偏振控制器 27;再将50/50光纤分束器26的两个输出口分别通过带通滤波器15和16，将带通滤波器 15的信号光子、以及带通滤波器16的闲置光子分别用单光子探测器23和24探测，并测 量精密平移台位置不同时，两个单光子器的符合计数和单通道计数。测量结果表明，单通 道计数不随平移台位置变化，而符合计数和平移位置的关系显示出拍频干涉现象，如图9 所示[注2]。图中的方块是实验数据，而实线是以装置的相关实际数据和干涉对比度为参 数的最佳理论拟合，结果表明干涉对比度大于90%，说明本发明所输出光子为高纯度频 率纠缠光子。参考文献1. J. Chen, K. F. Lee, and P. Kumar, Phys. Rev. A 76, 031804(R) (2007).2. X Li, L. Yang and L. Cui，将投Phys. Rev. A3. P. Kumar, M. Fiorentino, P. L. Voss, and J. E. Sharping, U.S. Patent No. 6,897,434 (2005 )
权利要求
1、一种全光纤频率纠缠光子源，其特征是该光子源依次包括泵浦光光源用于产生泵浦光；95/5分束器用于将95％的泵浦光输入Sagnac光纤环，用5％的泵浦光监视泵浦功率；Sagnac光纤环依次由环行器、50/.50分束器、光纤和第一光纤偏振控制器构成，其中，环行器用于将Sagnac光纤环反射的光子输出；50/50分束器用于分离泵浦光和对相向传输的光子对进行耦合；光纤用于产生量子关联的孪生光子对；第一光纤偏振控制器用于补偿光纤双折射且引入相移；90/10分束器用于向Sagnac光纤环注入参考信号光和输出散射光子；第三光纤偏振控制器与90/10分束器的90％端连接，用于调整经由90/10分束器输出光子的偏振；第一光纤偏振分束器与第三光纤偏振控制器连接，用于选择输出光子的偏振；第一信号光、闲置光和泵浦光带通滤波器与第一光纤偏振分束器连接，用于将光纤内由自发四波混频产生的信号和闲置光子与泵浦光分离，选择与信号光和闲置光中心频率一致的光输出；第四光纤偏振控制器与Sagnac光纤环中的环行器连接，用于调整由环行器输出的Sagnac光纤环反射的光子的偏振；第二光纤偏振分束器与第四光纤偏振控制器连接，用于选择输出光子的偏振；第二信号光、闲置光和泵浦光带通滤波器与第二光纤偏振分束器连接，用于将光纤内由自发四波混频产生的信号和闲置光子与泵浦光分离，选择与信号光和闲置光中心频率一致的光输出。
2、 根据权利要求1所述的纠缠光子源，其特征是所述的Sagnac光纤环中的光纤选用 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(op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 cos和toi的信号光与闲置光孪生光子对，其中26)p-A+6V这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件。
3、 根据权利要求1或2所述的纠缠光子源，其特征是所述的泵浦光光源的组成依次 包括光纤飞秒激光器用于输出激光脉冲；第一泵浦光带通滤波器连接光纤飞秒激光器，釆用透射端口输出的光，以消除泵浦 激光中所包含的频率在(OS和G)i波段的光子；光纤放大器与第一泵浦光带通滤波器透射端口连接，用于放大第一泵浦光带通滤波 器透射端口输出的激光脉冲的功率；第二泵浦光带通滤波器与光纤放大器连接，用于消除泵浦激光中所包含的波长在COS 和coi波段的光子，并将透射端输出的泵浦激光输入到95/5分束器。
4、根据权利要求1或2所述的纠缠光子源，其特征是该纠缠光子源还包括一个用于产生调整系统参数的参考信号光光源，其组成依次包括-光纤飞秒激光器用于输出激光脉冲；第一泵浦光带通滤波器连接光纤飞秒激光器，其反射端口的输出用于提取频率不在 泵浦光中心频率O)p波段的光子；信号光带通滤波器与第一泵浦光带通滤波器反射端口连接，用于提取频率在(0i波段 的光作为参考信号光；第二光纤偏振控制器与90/10分束器的10%端连接，用于调整注入90/10分束器的 参考信号光的偏振。
全文摘要
全光纤频率纠缠光子源。包括脉冲激光器，Sagnac光纤环、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器和光纤带通滤波器。本发明的关键在于使由50/.50分束器，光纤、光纤偏振控制器和光纤环行器构成的Sagnac光纤环中相向传输量子态在50/.50分束器耦合时满足模式匹配条件，从而得到高纯度的频率纠缠光子对。若Sagnac光纤环的两个输出端口分别为端口1’和端口2’，则输出光子的状态为频率纠缠态|ω_s>_1′|ω_i>_2′+|ω_i>_1′|ω_s>_2′，即当信号光子从端口1’输出时，闲置光子一定出现在端口2’，反之亦然。该频率纠缠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，可广泛应用于基础物理研究，量子密钥分配，量子逻辑门及光与原子相互作用等领域。
文档编号G02F1/35GK101398590SQ20081015284
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月6日 优先权日2008年11月6日
发明者亮 崔, 李小英, 磊 杨, 马晓欣 申请人:天津大学