基于光学超晶格和波导光路的量子光源芯片的制作方法

文档序号:2715955
基于光学超晶格和波导光路的量子光源芯片的制作方法
【专利摘要】一种基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,采用波导光路和光学超晶格、电光调制器的集成,波导光路通过波导分束器将进入的经典抽运激光分束,分束后的激光进入光学超晶格区域进行频率下转到得到纠缠光子对,纠缠光子对随后继续进入干涉仪进行量子干涉;干涉仪的相位由芯片上内置的电光调制器来控制,通过电压调节得到几种不同的量子态。
【专利说明】基于光学超晶格和波导光路的量子光源芯片

【技术领域】
[0001] 本发明涉及量子信息技术、光电子技术和非线性光学领域,尤其是用集成光学技 术和思路来实现芯片化的量子光源。

【背景技术】
[0002] 纠缠是量子通信、量子计算等量子信息技术中的核心资源。所以如何制备纠缠光 源,特别是可调控、高效、稳定、便携的纠缠光源一直是量子信息领域的研究难点和热点。历 史上产生纠缠光子对的方法有:(1)原子级联跃迁[1];(2)原子系统中的四波混频过程
[2] ; (3)硅基[3, 4]或光纤中[5, 6]的四波混频过程;(4)二阶非线性晶体中的光学参量 下转换过程[7, 8]。其中原子级联跃迁过程在量子光学实验初期被采用,后来因为其产生 的态不够理想而被放弃。现在人们多采用后面三种方案,而其中基于非线性晶体的二阶参 量过程由于其产率高、装置简单成当前产生纠缠光子对最普遍的方法。在二阶非线性晶体 中,一个高频抽运光子会劈裂为一对低频的下转换光子,分别称为信号光子和闲置光子,也 称纠缠光子对。该过程需要满足能量守恒和动量守恒条件。按照动量守恒的实现条件来 分,产生纠缠光子对的非线性晶体分为两类,一类是均匀的双折射晶体,另一种是光学超晶 格。光学超晶格就是铌酸锂、钽酸锂等畴结构受到调制的人工非线性晶体,因为可以利用它 的较大非线性系数,所以它可以产生高亮度的纠缠光子对[9-12]。特别是,加工成波导之后 可以进一步提商广生效率[13, 14]。
[0003] 但是无论是双折射晶体、光学超晶格体块材料还是波导结构,一块晶体往往只能 产生一种纠缠光源,而且在非线性晶体前后往往需要很多其他的光学元件来实现对泵浦 光以及产生光子对的处理和收集等,导致纠缠光源产生光路一般都较为复杂、庞大、不易稳 定、不具有很好的功能扩展能力。
[0004] 参考资料:
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【发明内容】

[0020] 本发明目的是解决上面所提到的问题,提供一种基于光学超晶格波导的量子光源 芯片的设置方法及提供一种芯片化的纠缠光源,利用集成光学的思路和技术来提升纠缠光 源的扩展性、集成度、稳定性、便携性等。
[0021] 本发明的技术方案是:一种基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,采 用波导光路和光学超晶格、电光调制器的集成,波导光路通过波导分束器将进入的激光进 行分束,分束后的激光进入光学超晶格区域进行频率下转到得到纠缠光子对,纠缠光子对 随后继续进入干涉仪进行量子干涉。干涉仪的相位由芯片上内置的电光调制器来控制,通 过电压调节得到几种不同的量子态。
[0022] 本发明的主要内容是以铌酸锂等铁电材料为基质材料进行波导加工并对部分区 域进行极化,使得该芯片同时实现纠缠光子的产生和干涉,将输入的经典光光转化为可 调控的量子态,不同的量子态通过集成在芯片上的电光调制器完成;整个芯片依次分为 三个区域,区域I是对经典激光的处理,主要是对抽运光(经典激光)的分束和相位调 制,区域II是非线性区,上下两路中的光学超晶格结构将抽运光转化为简并的纠缠光子 对;光子对从上路或下路产生,组成一个路径聚束态

【权利要求】
1. 一种基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其特征是采用波导光路和光 学超晶格、电光调制器的集成,波导光路通过波导分束器将进入的经典抽运激光分束,分束 后的激光进入光学超晶格区域进行频率下转到得到纠缠光子对,纠缠光子对随后继续进入 干涉仪进行量子干涉;干涉仪的相位由芯片上内置的电光调制器来控制,通过电压调节得 到几种不同的量子态。
2. 根据权利要求1所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其特征是 在铌酸锂等铁电材料为基质材料的单片晶体上加工出波导干涉光路并对部分区域进行畴 反转;整个芯片依次分为三个区域,区域I是对经典激光的处理,对抽运光的分束和相位调 制,区域II是畴反转区,也称非线性区,可以将上下两路抽运光转化为简并的纠缠光子对, 光子对从上光路或下光路产生,组成一个路径聚束态+ 区域III是对 纠缠光子的处理,在波导分束器上实现纠缠光子的Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉。如果II区 域产生的路径聚束态中上下两光路相位相同,那么该聚束态经由HOM干涉后得到分离态,
滤波单元,纠缠光子通过倏逝波耦合到更外侧的两根波导,泵浦光保留到原来波导中。
3. 根据权利要求1所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其特征 是在Z-切铌酸锂基片上制备波导光路、非线性区的周期极化区域和对纠缠光子的处理干 涉区;设有光纤(2)将抽运激光输入波导光路的第一波导(3);然后经波导Y-分束器分别 输入第二与第三波导(4、5);第一至第三波导都是针对抽运激光波长的波导;第二第三波 导的夹角小于1° ;之后设有第一与第二过渡波导分别将第一与第二抽运光波导的光转换 到参量光波长的第一与第二单模波导(13、14);在第一与第二抽运光波导(6、7)上有三个 电极(8、9、10),用来调节两路泵浦光之间的相位差;第四与第五波导(13、14)所在区域是 周期极化区域,将抽运光转化为纠缠光子对;之后光子对到达波导分束器进行干涉,波导分 束器中第一与第二平行波导(16、17)的间隔和长度设计为半个耦合长度;干涉后的路径纠 缠光子对在第六与第七波导(32、33)中,第六与第七波导分别连接拐弯波导和直波导;第 六与第七波导后面分别级联了一个波导滤波器,滤波器中的第一与第二平行波导区(18和 22)使得参量光子从第六波导(32)转移拐弯波导(34)进而到直波导(24)中,平行波导(19 和23)使得参量光子从第七波导33转移到拐弯波导(35)进而到直波导(25)中。
4. 根据权利要求1-3之一所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其 特征是在波导光路中设置光学超晶格区域,所述光学超晶格包含一维周期结构、非周期结 构、啁啾结构等所有一维极化序列以及其他可能的二维序列,光学超晶格区域发生的参量 下转换过程包括简并和非简并两种情形,产生纠缠光子;波导干涉仪能够对产生的纠缠光 子进行进一步处理,通过干涉等方法得到多种量子态,波导干涉仪包括Hong-Ou-Mandel干 涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Michelson干涉仪或Franson干涉仪等以及由这些基本干涉仪 组成的复杂光路。
5. 根据权利要求1-3之一所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其 特征是加工波导光路的方法包括质子交换方法、钛扩散方法以及机械加工方法。
6. 根据权利要求1-3之一所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其 特征是基于光学超晶格波导的量子光源芯片上通过电光效应来控制光子相位,电光效应可 以施加在芯片内其他等效区域;电压施加采用推挽结构,在一路上增加相位的同时另一路 等量减小。
7. 根据权利要求1-3之一所述的基于光学超晶格波导的量子光源芯片的设置方法,其 特征是波导材料包括可以进行极化的铌酸锂材料、钽酸锂、磷酸钛氧钾等铁电材料。
8. 根据权利要求1-7之一所述的设置方法得到的基于光学超晶格波导的量子光源芯 片。
【文档编号】G02F1/35GK104330938SQ201410551173
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】徐平, 金华, 祝世宁 申请人:南京大学
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