可调轨道角动量量子光源生成装置

1.本发明涉及光量子信息技术领域，尤其涉及一种可调轨道角动量量子光源生成装置。


背景技术：

2.近年来，光量子信息处理逐渐成为光信息领域的研究热点。光量子态有维度高、安全性高、速度快的优点，适用于量子编码，量子通信和量子成像等。为了充分发挥光量子态的优势，轨道角动量(orbital angular momentum，oam)作为光子一个无穷维的独立自由度，受到了研究者的广泛关注。在经典光学领域，关于oam的研究已涉及片上产生、探测、应用等多个方面。在量子光学领域，与oam光量子态相关的研究还有很大的发展空间。
3.目前基于oam的量子光源可以分为集成和非集成两类。基于空间光路系统产生单光子oam模式的方案发展已较为成熟，但集成的量子光源才是实现大规模光量子信息处理的基础。现有技术中，将量子点种在集成的集成oam发射器波导中，提出集成的oam单光子源方案。由于量子点需要工作在低温条件下，且量子点与集成oam发射器之间需要精确的模式匹配，该工作中单光子oam模式的阶次是不可调的。固定的oam模式的阶次限制了该光源在高维量子信息处理领域的应用优势。


技术实现要素：

4.本发明提供一种可调轨道角动量量子光源生成装置，包括：空间上分离的集成oam发射器和可预报单光子源，其中，
5.所述可预报单光子源在泵浦光作用下产生信号光子；
6.所述信号光子作为被预报的光子耦合进集成oam发射器中、并经集成oam发射器转换为oam模式后散射到自由空间；
7.所述oam模式为通过调节所述集成oam发射器的参数、动态地调控信号光子的oam模式的阶次。
8.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可预报单光子源是基于非线性介质中的自发四波混频，湮灭一对泵浦光子产生信号光子和闲频光子，将闲频光子作为预报光子，信号光子即为被预报的单光子。
9.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述非线性介质为色散位移光纤或硅线波导。
10.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述集成oam发射器由角向均匀分布的若干根下载波导提取微环腔中的回音壁模式，经由中心的同心环型散射光栅发射到自由空间中。
11.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述对所述硅波导的波导结构为硅材料构成的微环腔上覆盖钛电极，通过电极通电加热、动态调节微环腔的谐振波长，从而改变集成oam发射器产生的oam模式的阶次。
12.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述通过调节所述集成oam发射器的参数、动态地调控信号光子的oam模式的阶次，包括：
13.基于所述集成oam发射器中硅波导的热光效应，通过电极加热在信号光子波长不变的条件下动态调节信号光子的oam模式的阶次。
14.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述通过调节所述集成oam发射器的参数、动态地调控信号光子的oam模式的阶次，包括：
15.通过调节所述集成oam发射器上钛电极施加的电压，动态调控信号光子的oam模式的阶次。
16.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可调轨道角动量量子光源生成装置还包括单光子探测器，所述单光子探测器用于与所述闲频光子进行符合计数。
17.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可调轨道角动量量子光源生成装置还包括空间光调制器，所述单光子探测器封装有单模光纤尾纤，在探测单光子的oam模式时，利用所述空间光调制器将oam模式的单光子态转换为高斯基模，耦合入单光子探测器中，与闲频光子进行符合计数。
18.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可预报单光子源集成在芯片上，通过热调使微环腔的谐振波长与信号光子对齐，信号光子耦合进微环腔中，闲频光子通过色散位移光纤或硅线波导并从另一端耦合出芯片，滤波后进入所述单光子探测器中。
19.本发明的可调轨道角动量量子光源生成装置，通过空间上分离的集成oam发射器和可预报单光子源相结合，将信号光子作为被预报的光子耦合进集成oam发射器中、并经集成oam发射器转换为oam模式后散射到自由空间，通过调节所述集成oam发射器的参数、动态地调控信号光子的oam模式的阶次，实现了单光子oam模式的阶次可调，能兼顾发射器和量子光源的设计，具有操控灵活性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的可调轨道角动量量子光源生成装置中的集成oam发射器的结构示意图；
22.图2是本发明提供的基于色散位移光纤的可调轨道角动量量子光源生成装置的结构示意图；
23.图3是本发明提供的基于硅线波导的可调轨道角动量量子光源生成装置的结构示意图；
24.图4是本发明提供的可调轨道角动量量子光源生成装置的片上器件结构的结构示意图；
25.图5是本发明提供的可调轨道角动量量子光源生成装置中的两个典型符合计数结
果的示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明提供了一种可调轨道角动量量子光源生成装置，包括：空间上分离的集成oam发射器10和可预报单光子源20，其中，
28.所述可预报单光子源20在泵浦光30作用下产生信号光子21；
29.所述信号光子21作为被预报的光子耦合进集成oam发射器10中、并经集成oam发射器10转换为oam模式后散射到自由空间；
30.所述oam模式为通过调节所述集成oam发射器10的参数、动态地调控信号光子21的oam模式的阶次。
31.本发明的基本原理是将可预报单光子源20和集成的集成oam发射器10结合，产生可预报的单光子oam模式。其中可预报单光子源20在泵浦光30作用下产生信号和闲频光子22，信号光子21作为被预报的光子耦合进集成oam发射器10中，再经发射器转换为oam模式后散射到自由空间。借助集成oam发射器10中硅波导的热光效应，通过电极15加热可以在信号光子21波长不变的条件下动态调节oam的阶次。集成oam发射器10也就是图2中的oam发射器10。
32.本发明的可调轨道角动量量子光源生成装置，通过空间上分离的集成oam发射器10和可预报单光子源20相结合，将信号光子21作为被预报的光子耦合进集成oam发射器10中、并经集成oam发射器10转换为oam模式后散射到自由空间，通过调节所述集成oam发射器10的参数、动态地调控信号光子21的oam模式的阶次，实现了单光子oam模式的阶次可调，能兼顾发射器和光源的设计，具有操控灵活性。
33.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可预报单光子源20是基于非线性介质中的自发四波混频，湮灭一对泵浦光30子产生信号光子21和闲频光子22，将闲频光子22作为预报光子，信号光子21即为被预报的单光子。
34.可预报单光子源20的原理是基于非线性介质中的自发四波混频作用，湮灭一对泵浦光30子产生信号和闲频光子22，将闲频光子22作为预报光子，信号光子21即为被预报的单光子，可作为量子光源。本发明中所使用的非线性介质可以是色散位移光纤(dsf)或硅线波导，其中采用硅线波导作为可预报单光子源20的方案可以实现全集成的可调oam量子光源。
35.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述非线性介质为色散位移光纤或硅线波导。
36.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述集成oam发射器10由角向均匀分布的若干根下载波导12提取微环腔中的回音壁模式，经由中心的同心环型散射光栅14发射到自由空间中。
37.本发明中，集成oam发射器10的作用是模式转换，其结构如图1所示。其工作原理是
基于回音壁模式天生携带轨道角动量的特点，由角向均匀分布的32根下载波导12提取微环腔中的回音壁模式，借助中心的同心环型散射光栅14发射到自由空间中。所有波导结构由硅材料构成，微环腔上覆盖钛电极15，借助电极15通电加热动态调节微环腔的谐振波长，从而改变发射器产生的oam模式的阶次。
38.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述对所述硅波导的波导结构为硅材料构成的微环腔(也就是图1中的微环谐振腔11)上覆盖钛电极15，通过电极15通电加热、动态调节微环腔的谐振波长，从而改变集成oam发射器10产生的oam模式的阶次。
39.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述通过调节所述集成oam发射器10的参数、动态地调控信号光子21的oam模式的阶次，包括：
40.基于所述集成oam发射器10中硅波导的热光效应，通过电极15加热在信号光子21波长不变的条件下动态调节信号光子21的oam模式的阶次。
41.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述通过调节所述集成oam发射器10的参数、动态地调控信号光子21的oam模式的阶次，包括：
42.通过调节所述集成oam发射器10上施加的电压，动态调控信号光子21的oam模式的阶次。
43.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可调轨道角动量量子光源生成装置还包括单光子探测器40，所述单光子探测器40用于与所述闲频光子22进行符合计数。单光子探测器40包括符合计数模块，本发明中，符合计数和car(coincidence to accidental ratio)的结果大于1可以证明产生了单光子oam模式。
44.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可调轨道角动量量子光源生成装置还包括空间光调制器50，所述单光子探测器40封装有单模光纤尾纤，在探测单光子的oam模式时，利用所述空间光调制器50将oam模式的单光子态转换为高斯基模，耦合入单光子探测器40中，与闲频光子22进行符合计数。
45.根据本发明所述的可调轨道角动量量子光源生成装置，其中，所述可预报单光子源20集成在芯片上，通过热调使微环腔的谐振波长与信号光子21对齐，信号光子21耦合进微环腔中，闲频光子22通过色散位移光纤或硅线波导并从另一端耦合出芯片，滤波后进入所述单光子探测器40中。
46.为了进一步说明本发明的可调轨道角动量量子光源生成装置的具体实施方式，以下提供了具体的实施例：
47.如图2所示，色散位移光纤在脉冲激光的泵浦下，产生信号光子21和闲频光子22，通过密集型波分复用器(dwdm：dense wavelength division multiplexer)将两种光子分为两路，其中闲频光子22直接进入单光子探测器40中，信号光子21集成oam发射器10被转换为oam模式，调节发射器钛电极上施加的电压，可以动态调控单光子oam模式的阶次。由于实验中所采用的单光子探测器40封装有单模光纤尾纤，在探测单光子oam模式时，借助空间光调制器50将oam模式的单光子态再转换为高斯基模，随后耦合入单光子探测器40中，与闲频光子22进行符合计数。有明显的符合计数峰即证明产生了单光子oam模式。
48.如图3所示，在另一实施例中，基于硅线波导的可预报单光子源20可直接集成在芯片上，实现全集成的可调oam量子光源。片上器件结构的示意图如图4所示，在硅线波导中，
信号光子21和闲频光子22同时产生，一起进入总线波导13中。通过热调使微环腔的谐振波长与信号光子21对齐，此时信号光子21耦合进微环腔中，闲频光子22通过总线波导13并从另一端耦合出芯片，滤波后进入单光子探测器40中。信号光子21进入集成oam发射器10后的模式转换与验证方式与实施例一相同。
49.图5给出了在30分钟内两个典型符合计数结果，对应oam模式的阶次分别为4阶和6阶。图中有明显的符合计数峰，对应的峰值分别为25和24。根据测试结果，可以计算两种模式对应的car分别为6.88和9.5。
50.car(coincidence counts to accidental coincidence counts ratio)符合计数与偶然符合计数比。偶然符合由噪声引起。在评价可预报单光子源时，car＞1，证明该光源的信号和闲频光子具有时间关联性，car越大时间关联性越强，可预报光源的信噪比越高。
51.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。