精密的量子波长调谐器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及光学波长转换与调谐领域，具体涉及一种适用于可见波段和近红外波段的精密量子波长调谐器，其特征在于：所述调谐器一端为输入端，另一端为输出端，所述输入端至所述输出端之间的光路中至少连接有第一、第二相干频率转换装置，所述第一相干频率转换装置的输出端与所述第二相干频率转换装置的输入端相连接。本实用新型的优点是：信号光波长调谐精度高，能够保持信号光原有的量子特性。克服了单个相干上转换或者相干下转换过程的不能实现信号光波长微调的缺陷，也克服了基于四波混频量子波长调谐效率不高的缺点，相比而言，本方法转换效率更高，动态调节范围更大。
【专利说明】精密的量子波长调谐器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光学波长转换与调谐领域，具体涉及一种适用于可见波段和近红外波段的精密量子波长调谐器。
【背景技术】
[0002]随着量子信息科学技术的飞速发展，量子网络的需求变得极为迫切。由于光子不易损耗和不易消相干的特性，使其在量子信息传输中发挥着不可替代的作用。然而在量子网络中，量子存储一般采用碱原子，其所适合的光子波长极为苛刻，一般的单光子光源并不能处在这个波长。为了获得最优的匹配波长，就迫切地需要一个能够实现光子态量子波长调谐的器件。这种连续可调的量子频率转换器需要满足以下三个方面:1、在可见于近红外波段能够实现任意大小的频率转移，从而满足量子通信中不同量子器件最优的工作波长。
2、频移后的光子能够保持原有态的所有量子特性，包括纠缠特性、光子数统计分布、时间关联等。3、必须能够实现高的转换效率，并且在转换过程中不能引入任何额外的噪声光子。
[0003]目前，利用的二阶非线性效应的和频或者差频过程，只满足后面两个条件，它只能实现光子态从一个频率转移到另一个分隔比较远的频率，一般来说都是可见光波段转换到近红外波段，或者反之，并不能实现可见光波段或者近红外波段内的波长转换和波长调谐。基于三阶非线性效应的四波混频过程，尽管理论上可以满足以上的三个方面，但是由于高阶的非线性效应需要很强的泵浦光强，实验上很难实现比较高的转换效率。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种精密的量子波长调谐器，该装置利用的二阶非线性效应的和频或者差频过程，实现在可见和近红外波段内信号光波长的微调，并且保持其原有的量子特性。
[0005]本实用新型目的实现由以下技术方案完成:
[0006]一种精密的量子波长调谐器，用以调谐可见波段和近红外波段的精密量子波长，其特征在于:所述调谐器一端为输入端，另一端为输出端，所述输入端至所述输出端之间的光路中至少连接有第一、第二相干频率转换装置，所述第一相干频率转换装置的输出端与所述第二相干频率转换装置的输入端相连接。
[0007]所述第一相干频率转换装置为相干频率上转换装置，所述第二相干频率转换装置为相干频率下转换装置。
[0008]所述第一相干频率转换装置为相干频率下转换装置，所述第二相干频率转换装置为相干频率上转换装置。
[0009]所述相干频率转换装置由双色向镜、泵浦光、二阶非线性晶体、滤波器构成，其中所述双向色镜将所述输入端的信号光与所述泵浦光合束，该合束光经由一透镜聚焦使其束腰位置处于所述二阶非线性晶体中心产生和频光或差频光，再经一透镜连接至所述滤波器。[0010]所述输入端为光纤输入，所述相干频率转换装置由波分复用器、泵浦光、二阶非线性晶体、滤波器构成，其中所述波分复用器将所述输入端的信号光与所述泵浦光合束，该合束光经由一透镜聚焦使其束腰位置处于所述二阶非线性晶体中心产生和频光或差频光，再经一透镜连接至所述滤波器。
[0011]本实用新型的优点是:信号光波长调谐精度高，能够保持信号光原有的量子特性。克服了单个相干上转换或者相干下转换过程的不能实现信号光波长微调的缺陷，也克服了基于四波混频量子波长调谐效率不高的缺点，相比而言，本方法转换效率更高，动态调节范围更大。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的装置结构示意图；
[0013]图2为本实用新型原理示意图。
【具体实施方式】
[0014]以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解:
[0015]如图1-2所示，图中标记1-16分别为:输入端1、双色向镜2、泵浦光3、透镜4、二阶非线性晶体5、透镜6、滤波器7、双色向镜8、泵浦光9、透镜10、二阶非线性晶体11、透镜
12、滤波器13、输出端14、相干频率转换装置15、相干频率转换装置16。
[0016]实施例:如图1所示，本实施例中的量子波长调谐器一端为输入端1，另一端为输出端14，输入端I与输出端14之间的光路上设置有相干频率转换装置15以及相干频率转换装置16，相干频率转换装置15的输入端与输入端I相连，输出端与相干频率转换装置16的输入端相连，相干频率转换装置16的输出端与输出端14相连；当可见光波段或者近红外波段内的量子光波经由输入端I依次经过相干频率转换装置15、16至输出端14后，在保持原有量子特性的同时，实现可见光波段或者近红外波段内的波长调谐。
[0017]相干频率转换装置15与相干频率转换装置16的结构组成相同，但本实施例中相干频率转换装置15为相干频率上转换装置用以先对输入端I的输入光进行频率上转换，相干频率转换装置16为下转换装置用以对相干频率转换装置15的输出光进行频率下转换。
[0018]相干频率转换装置15包括双色向镜2、泵浦光3、透镜4、二阶非线性晶体5、透镜
6、滤波器7。双色向镜2将由输入端I输入的量子光波与泵浦光3进行合束,输入端I的输入光和泵浦光3需要光束的空间匹配，即使泵浦光3的光斑比输入光的光斑略大一点，这样泵浦光3既可以覆盖整个信号光光斑，又能获得尽可能高的光强，从而提高转换效率。输入光与泵浦光3的合束光经由透镜4聚焦于二阶非线性晶体5，透镜4的焦距选择需要权衡二阶非线性晶体5长宽高的三维参数，合束光在二阶非线性晶体5中通过和频作用产生和频光。其中，取决于非线性晶体相位匹配的方式(角度匹配、温度匹配或者准相位匹配)不同，可能需要对晶体的摆放角度、工作温度、极化周期等进行相应的选择和控制。和频光通过透镜6准直成为平行光，其中透镜6的物方焦点处在二阶非线性晶体5的中心位置。为了去除泵浦光和其他杂散光，和频光在通过透镜6之后再通过滤波器7，滤波器7可以配合多中滤波方式，如色散分光(棱镜或光栅)、空间滤波器、频谱滤波器等。[0019]相干频率转换装置16包括双色向镜8、泵浦光9、透镜10、二阶非线性晶体11、透镜12、滤波器13。双色向镜2将由滤波器7输出的和频光与泵浦光9进行合束。该合束光经由透镜10聚焦于二阶非线性晶体11，利用非线性差频过程产生差频光，其中，下转换过程也需要信号光和泵浦光9空间光斑的匹配。然后，差频光通过透镜12，准直成平行光。然后通过相应波段的滤波器13，去除其他波段的噪声光子，最后至输出端14输出。通过调谐泵浦光3或者是泵浦光9的中心波长，就可以获得输入光中心波长的精密调谐。
[0020]本实施例在具体实施时:如图2所示，相干频率转换装置15采用相干频率上转换技术，先对输入的信号进行频率上转换。在中心频率为ωρ?的泵浦光3的作用下，信号光从频率ω?相干的上转换到ω2,在转换过程中满足能量守恒定律:ω 1+ωΡ1=ω2。相干上转换技术，保持了输入光所有的相干信息和量子特性。
[0021]相干频率转换装置16采用相干频率下转换技术，对相干频率转换装置15产生的频率为ω 2的光进行频率下转换操作。在中心频率为ωρ2的泵浦光9的作用下，输入光从频率《2相干的下转换到ω3，在转换过程中满足能量守恒定律:ω2_ωΡ2=ω3。相干下转换技术，保持了输入光所有的相干信息和量子特性。在下转换过程中，由于泵浦光9的频率ωΡ2比输入光的频率ω2要小，因此光子能量相对也小，从而抑制强泵浦场的自发参量下转换的噪声光子，最终获得近似无噪声的相干频率下转换。
[0022]频率为ω I初始输入信号，在经过以上两个相干频率转换过程之后，最终的输入频率为ω3。而且,利用能量守恒定律可以看出，Λ = ω3_ω 1=ωΡ1-ωΡ2。这样就可以通过控制两个泵浦光的频率间隔来调节信号光频移的大小。通过精密的调谐泵浦光3或泵浦光9中一个的波长，就可以实现输入光信号的精密量子波长调谐。为了减小相干上转换或者下转换过程中的强泵浦场引致的背景噪声，可以采用长波长泵浦的方案。
[0023]一般来说，利 用先上转换后下转换的级联转换过程适合于输入波长为红外波段。当然，也可以先下转换后上转换的级联转换过程，如此信号光频移的大小为Δ = ω3-ω1=ωΡ2-ωΡ10采用这种顺序的级联相干频率转换过程适合于输入波长为可见波段。
[0024]输入端I采用的光纤输入的话，双色向镜也可以用波分复用器(WDM)予以替代。
[0025]本调谐器的最大特点和优点是信号光波长调谐精度高，能够保持信号光原有的量子特性。克服了单个相干上转换或者相干下转换过程的不能实现信号光波长微调的缺陷，也克服了基于四波混频量子波长调谐效率不高的缺点，相比而言，本调谐器转换效率更高，调节动态范围更大。
【权利要求】
1.一种精密的量子波长调谐器，用以调谐可见波段和近红外波段的精密量子波长，其特征在于:所述调谐器一端为输入端，另一端为输出端，所述输入端至所述输出端之间的光路中至少连接有第一、第二相干频率转换装置，所述第一相干频率转换装置的输出端与所述第二相干频率转换装置的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种精密的量子波长调谐器，其特征在于:所述第一相干频率转换装置为相干频率上转换装置，所述第二相干频率转换装置为相干频率下转换装置。
3.根据权利要求1所述的一种精密的量子波长调谐器，其特征在于:所述第一相干频率转换装置为相干频率下转换装置，所述第二相干频率转换装置为相干频率上转换装置。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种精密的量子波长调谐器，其特征在于:所述相干频率转换装置由双色向镜、泵浦光、二阶非线性晶体、滤波器构成，其中所述双向色镜将所述输入端的信号光与所述泵浦光合束，该合束光经由一透镜聚焦使其束腰位置处于所述二阶非线性晶体中心产生和频光或差频光，再经一透镜连接至所述滤波器。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种精密的量子波长调谐器，其特征在于:所述输入端为光纤输入，所述相干频率转换装置由波分复用器、泵浦光、二阶非线性晶体、滤波器构成，其中所述波分复用器将所述输入端的信号光与所述泵浦光合束，该合束光经由一透镜聚焦使其束腰位置处于所述二阶非线性晶体中心产生和频光或差频光，再经一透镜连接至所述滤波器。
【文档编号】G02F1/35GK203595881SQ201320781505
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】周茜, 黄坤, 汤瑞凯, 李雄杰, 杜海彬, 史学舜, 武愕, 潘海峰, 丁晶新 申请人:华东师范大学