本实用新型涉及量子信息与光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置。
背景技术：
量子通信和量子计算是量子力学和信息科学相结合产生的前沿交叉学科领域。因为受环境影响较小，光子是基于线性光学元件的量子计算和量子通信的理想资源。
宣布式单光子源又称为预报单光子源，原理是利用非线性效应产生一对纠缠光子，其中一个作为信号光子用于量子信息处理，同时探测另一个光子(闲频光子)来预报信号光子的到达时间。具体到量子密钥分发中，宣布式单光子源可以精确控制单光子的探测时间，极大地减少量子密钥分发系统中探测器暗计数的影响，从而增加安全通信距离。
随着技术的逐步成熟，QKD系统的发展趋势是由点到点逐渐扩展到点到多点、多点到多点的组网方式。当前方案多采用时分复用或者波分复用。其中波分复用技术使用不同波长形成多路量子信道，可以在多个用户之间实现量子密钥分发而不相互影响，因而备受关注。在QKD网络中，有必要开发一种灵活稳定的多波长单光子源以适应未来发展的需要。
多波长光源最简单的方式是采用激光器阵列。但是激光器阵列之间相互独立，体积大，性能不均匀，难以统一调制。利用光频梳效应，使用单一光源实现间隔固定的子载波，载噪比好、平坦度高、载波数目多，具有较好的前景，也有益于实现超高速的光纤通信。
技术实现要素：
本实用新型提供基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置，目的在于实现一种效率较高用于量子信息处理的通信波段单光子源。
为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
一种基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置，包括顺次连接的光频梳单元、纠缠源单元和宣布单元；所述光频梳单元包括相互连接的激光器和高Q值微环腔，所述纠缠源单元包括顺次连接的第一显微物镜、LBO晶体和第二显微物镜；所述宣布单元包括顺次连接的多层介质膜滤光片(MDTFF)和单光子探测器阵列；所述高Q值微环腔与第一显微物镜连接，第二显微物镜与多层介质膜滤光片(MDTFF)连接。
优选地，所述多层介质膜滤光片(MDTFF)可分离不同波长的光子。
优选地，所述激光器输出激光波长为0.71μm附近的脉冲激光器。
优选地，微环腔具有很高的品质因数Q值大于180000。
一种基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置，包括以下步骤：
S1：激光器发出脉冲激光，通过微环腔产生光学频率梳；
高Q值微环腔中产生光频梳是因为光克尔效应。光克尔效应是一种三阶非线性光学效应，其物理机制是介质中的非线性极化。光波本身的电场改变了折射率，改变的幅度与局域光强相关，而折射率的改变又促成四波混频等非线性效应。所有这些非线性效应的结果就导致了光频梳的产生。
电极化强度P与外加电场E的关系为：
P＝ε0[χ(1)E+χ(2)E2+χ(1)E3+...]＝PL+PNL
其中χ(2)和χ(3)分别为二阶和三阶非线性极化率。由于微环腔采用硅基材料构成，其结构都是中心反演对称的，因此χ(2)为零，材料总折射率n(I)与光强I呈线性关系：
n(I)＝n0+n2I
n0为线性折射率，n2为非线性折射率系数。
一般地，n2比较小，只有当入射光强I很大时才会体现出非线性效应。而高Q值微环腔在小体积内聚集了大量光子，导致局域光强非常大，从而体现出很强的非线性效应，产生光频梳。
S2：光频梳经第一显微物镜汇聚入射LBO晶体，经参量下转换过程产生多波长纠缠光子对；
S3：纠缠光子对通过宣布单元的多层介质膜滤光片(MDTFF)分离，泵浦光和杂散光被耦合光纤过滤；
S4：经过S3处理的光子对由单光子探测器阵列进行探测，当有单光子探测器响应就意味着探测到了纠缠光子对的其中一个，也就宣布了另一个的存在，单光子输出阵列的不同端口输出不同波长的单光子，用于量子通信或者量子信息处理。
进一步地，所述高Q值微环腔将自动地对输入的脉冲波长进行滤波，选择匹配的波长耦合进腔内，通过微环腔的场增强效应，以级联的四波混频过程产生新的频率分量并在微环腔内共振增强，频率分量间的间隔等于微环腔的自由频谱范围。
进一步地，所述高Q值微环腔输出的光学频率梳入射Type-I型LBO非线性晶体，生成共线非简并光子对，波长分别为1.3μm和1.55μm。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型采用的LBO晶体产生1.3μm和1.55μm的纠缠光子对，处于通信波段，有利于使用光纤传输用于量子通信和量子信息处理；采用微环腔生成的光学频率梳，载噪比高、平坦度高、载波数目多；采用宣布式光子源技术，使用闲频光作为信号光子的探测指示信号，能极大降低探测器的暗计数率，提高量子信息传输速率；本实用新型可在常温下运行，不需要复杂的低温控制技术；采用微环腔品质因子高，因而具有极大的场增强效应，需要的泵浦激光功率低。
附图说明
图1为本实用新型的工作原理图；
图2为光频梳单元和纠缠源单元示意图；
图3为宣布单元示意图；
图4为光频梳的示意图。
图中各部件对应的名称：光频梳单元-1’，激光器-101，微环腔-102；纠缠源单元-2’，第一显微物镜-201，LBO晶体-202，第二显微物镜-203；宣布单元-3’，多层介质膜滤光片(MDTFF)-301，单光子探测阵列302，单光子探测器31_1～31_n，单光子输出阵列-32_1～32_n。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-3所示，基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置，包括光频梳单元-1’、纠缠源单元-2’、宣布单元-3’。所述各个单元之间通过光纤连接，其中：
所述泵浦单元-1’包括激光器-101，微环腔-102；激光器101为波长为0.71μm附近的激光器，用于产生脉冲激光；微环腔接收模式匹配的波长，通过场增强效应的级联四波混频过程产生光频梳。所述微环腔采用硅基工艺制造，具有高Q值(180000)。
所述纠缠源单元2’包括第一显微物镜-201，LBO晶体-202，第二显微物镜-203；第一显微物镜聚焦微环腔102输出的激光到LBO晶体；LBO晶体是经过合理切割、相位匹配的，产生波长分别为1.3μm和1.55μm的纠缠光子对；第二显微物镜203收集LBO输出的纠缠光子对。
所述宣布单元3’包括多层介质膜滤光片(MDTFF)-301，单光子探测阵列302，单光子探测器阵列302由单光子探测器31_1～31_n组成，单光子输出阵列-32_1～32_n；第二显微物镜采集203的纠缠光子对通过单模光纤进入多层介质膜滤光片(MDTFF)；单模光纤同时作为滤波器过滤杂散光和未转换的0.71μm波长激光；多层介质膜滤光片(MDTFF)301分离不同波长的光子；其中1.3μm光子作为闲频光子进入单光子探测阵列302，输出电信号经放大作为1.55μm信号光子的探测控制信号；1.55μm光子耦合进入光纤，作为量子通信或线性光学量子计算的光源。
本实用新型工作时，所述激光器101发出0.71μm附近的脉冲激光，通过微环腔101产生0.71μm附近的光学频率梳，产生过程可使用非线性Lugiato-Lefever方程表示
其中ψ表示腔内传输光的复振幅，|ψ|2表示腔内光功率；α表示归一化的入射光频率失谐量消；β表示归一化二阶色散系数；F表示归一化入射光振幅；τ表示归一化传输时间；θ表示腔内角位置；归一化之后腔内光满足周期性边界(振荡)条件：ψ(τ,θ)＝ψ(τ,2π+θ)。
产生的光频梳(多波长光子源)经第一显微物镜201汇聚入射LBO晶体，经参量下转换过程产生波长分别为1.3μm和1.55μm附近的多波长纠缠光子对。纠缠光子对通过光纤耦合到宣布单元3’的多层介质膜滤光片(MDTFF)301，泵浦光(710nm)和杂散光被耦合光纤过滤。纠缠光子对根据波长选择相应的输出端口，其中31_1～31_n端口输出闲频光子到单光子探测器阵列作为宣布式光源的触发信号，32_1～32_n端口输出信号光子用于量子通信或量子计算；
所述激光器101选择锁模钛宝石激光器，将中心波长为0.71μm；
所述微环腔102采用硅基材料制作。
所述纠缠源单元2’由第一显微物镜201、LBO晶体202和第二显微物镜203组成。LBO晶体为Type-I型相位匹配LBO晶体，根据泵浦光频梳的不同采用不同的切割。
所述宣布单元3’包括多层介质膜滤光片(MDTFF)301和单光子探测器阵列302，本实施例中多层介质膜滤光片(MDTFF)可以将不同的输入波长信号从单独的端口输出。所述单光子探测器阵列302包括第一单光子探测器-31_1，第二单光子探测器-31_2，第n单光子探测器-31_n，多层介质膜滤光片(MDTFF)输出口耦合到单模光纤，构成单光子输出阵列，包括第一单光子输出口-32_1，第二单光子输出口-32_2，第n单光子输出口-32_n，可以灵活的根据实际情况增减；单光子探测器响应意味着探测到了纠缠光子对的其中一个，也就宣布了另一个的存在，单光子输出阵列的不同端口输出不同波长的单光子，用于量子通信或者量子信息处理。
所述单光子探测器31_1～31_n可以选择雪崩光电二极管(APD)作为单光子探测装置；
所述单光子输出阵列可选择直接在光纤端面镀一层增透膜。
通过上述具体实施方式的说明，我们提出的一种基于光学频率梳的多波长宣布式单光子源产生装置，该系统将波长为0.71μm附近的激光器、LBO、微环腔、多层介质膜滤光片(MDTFF)、单光子探测器等依次连接起来，通过多层介质膜滤光片(MDTFF)将不同波长的光子分开，利用单光子探测器对闲频光子的响应来宣布信号光子的存在。所产生单光子源的波长在通信波段1.55μm附近，有利于使用标准单模通信光纤传输。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。