一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置及产生方法与流程

本发明属于量子信息领域，具体涉及一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置及产生方法。

背景技术：

频率简并、空间非简并的纠缠光束是量子信息技术中的必要资源。例如：将非线性干涉仪中两个频率非简并参量放大器换成一个频率简并、空间非简并参量放大器和一个线性分束器，不仅可以简化装置，还可以提高测量灵敏度（参见文献：kongj,ouzy,zhangw.phase-measurementsensitivitybeyondthestandardquantumlimitinaninterferometerconsistingofaparametricamplifierandabeamsplitter[j].physicalreviewa,2013,87(2):023825）；另外，利用频率简并、空间非简并的纠缠光束注入频率简并、空间非简并的参量放大器可以实现三路量子信息分束（参见文献：liun,lij,lix,etal.three-waynoiselesssignalsplittinginaparametricamplifierwithquantumcorrelation[j].physicalreviewa,2016,93(6):063838）。

基于光纤的纠缠光源具有小型化、便携性，且兼容于现有光纤网络的优点。利用光纤中的四波混频过程可以产生一对具有纠缠特性的信号和闲频光束，两光束在光纤中共同传输。当产生的两纠缠光束频率不同时，可使用波分复用器将两者进行空间分离，当两者频率相同时，则无法使用波分复用器进行分离。已有文献（参见文献：yangl,sunf,zhaon,etal.generationoffrequencydegeneratetwinphotonsinpulsepumpedfiberopticalparametricamplifiers:influenceofbackgroundnoise[j].opticsexpress,2014,22(3):2553.）采用两泵浦光同端口注入、内置偏振控制器的sagnec光纤环，产生并空间分离出频率简并的关联光子对。另一文献（参见文献：k.mori,t.morioka,andm.saruwatari,opticalparametricloopmirror[j].opticsletters,1995,20(12):1424-1426）采用两泵浦光两端口注入、内置色散介质的sagnec光纤环，实现了有注入时频率非简并信号光束和闲频光束的空间分离。

目前并没有采用两泵浦光两端口注入、内置偏振控制器的sagnec光纤环，产生频率简并的纠缠光束并对其进行空间分离的装置。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置及产生方法。

本发明的技术方案是：一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置及产生方法，包括锁模光纤激光器，所述锁模光纤激光器的输出端与多通道波分复用器相连，所述多通道波分复用器的两个端口与频率简并纠缠光束产生组件相连，多通道波分复用器的另一个端口接入到ⅰ号50/50分束器，所述ⅰ号50/50分束器的两个输出端以及频率简并纠缠光束产生组件的两个输出端分别接入到两个平衡零拍探测组件，两个平衡零拍探测组件的输出端接入噪声分析组件中。

所述噪声分析组件包括加减法器，所述ⅰ号减法器、ⅱ号减法器的输出端与加减法器相连，所述加减法器的输出端与电子频谱分析仪相连。

所述平衡零拍探测组件包括ⅱ号50/50分束器、ⅲ号50/50分束器，ⅱ号50/50分束器、ⅰ号减法器之间设置有ⅰ号光电探测器、ⅱ号光电探测器，ⅲ号50/50分束器、ⅱ号减法器之间设置有ⅲ号光电探测器、ⅳ号光电探测器，所述ⅰ号减法器、ⅱ号减法器接入到噪声分析组件中。

所述频率简并纠缠光束产生组件包括与多通道波分复用器相连的ⅰ号环形器、ⅱ号环形器，所述ⅰ号环形器、ⅱ号环形器接入到sagnec光纤环中，所述ⅰ号环形器与ⅰ号滤波器相连，所述ⅱ号环形器与ⅱ号滤波器相连，所述ⅰ号滤波器的输出端接入到ⅱ号50/50分束器中，所述ⅱ号滤波器的输出端接入到ⅲ号50/50分束器中。

所述多通道波分复用器向连接光纤中输入第一泵浦光束、第二泵浦光束、第三激光束，所述第一泵浦光束进入到ⅰ号环形器中，所述第二泵浦光束进入到ⅱ号环形器中，所述第三激光束进入到ⅰ号50/50分束器中，所述多通道波分复用器与ⅰ号环形器之间设置有用于控制第一泵浦光束偏振的ⅰ号偏振控制器，所述多通道波分复用器与ⅱ号环形器之间设置有用于控制第二泵浦光束偏振的ⅱ号偏振控制器。

所述ⅰ号50/50分束器接收第三激光束并分别向ⅱ号50/50分束器、ⅲ号50/50分束器输出第一本底光束、第二本底光束。

所述ⅰ号50/50分束器、ⅱ号50/50分束器之间设置有控制第一本底光束偏振的ⅳ号偏振控制器，所述ⅰ号50/50分束器、ⅲ号50/50分束器之间设置有控制第二本底光束偏振的ⅴ号偏振控制器。

所述sagnec光纤环中设置有调节光纤环中对向传输光束位相差的ⅲ号偏振控制器。

一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置的产生方法，包括以下步骤：ⅰ.对各路光束的光程进行匹配

ⅱ.对两泵浦光束的偏振进行匹配

ⅲ.对光纤环中对向传输光束的位相差进行调节

ⅳ.对两本底光和纠缠光束的偏振进行匹配

ⅴ.标定散粒噪声标准

ⅵ.测量振幅差噪声与位相和噪声，并与步骤ⅴ的散粒噪声标准进行比较。

步骤ⅰ中需要进行光程匹配的光束包括第一泵浦光束、第二泵浦光束、第一本底光束、第二本底光束。

本发明利用两泵浦光束两端口入射内置偏振控制器的sagnec光纤环结构可以实现频率简并纠缠光束的产生和分离，调节时不需外接参考激光束，操作简单。

本发明整体为全光纤结构，装置体积小、稳定、易于接入光纤网络。

附图说明

图1是本发明的整体连接示意图；

其中：

1锁模光纤激光器2多通道波分复用器

5sagnec光纤环

31ⅰ号50/50分束器32ⅱ号50/50分束器

33ⅲ号50/50分束器41ⅰ号偏振控制器

42ⅱ号偏振控制器43ⅲ号偏振控制器

44ⅳ号偏振控制器45ⅴ号偏振控制器

61ⅰ号环形器62ⅱ号环形器

71ⅰ号滤波器72ⅱ号滤波器

81ⅰ号光电探测器82ⅱ号光电探测器

83ⅲ号光电探测器84ⅳ号光电探测器

91ⅰ号减法器92ⅱ号减法器

10加减法器11电子频谱分析仪。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置及产生方法，包括锁模光纤激光器1，所述锁模光纤激光器1的输出端与多通道波分复用器2相连，所述多通道波分复用器2的两个端口与频率简并纠缠光束产生组件相连，多通道波分复用器2的另一个端口接入到ⅰ号50/50分束器31，所述ⅰ号50/50分束器31的两个输出端以及频率简并纠缠光束产生组件的两个输出端分别接入到两个平衡零拍探测组件，两个平衡零拍探测组件的输出端接入噪声分析组件中。所述噪声分析组件包括加减法器10，所述ⅰ号减法器91、ⅱ号减法器92的输出端与加减法器10相连，所述加减法器10的输出端与电子频谱分析仪11相连。

所述平衡零拍探测组件包括ⅱ号50/50分束器、ⅲ号50/50分束器，ⅱ号50/50分束器、ⅰ号减法器之间设置有ⅰ号光电探测器、ⅱ号光电探测器，ⅲ号50/50分束器、ⅱ号减法器之间设置有ⅲ号光电探测器、ⅳ号光电探测器，所述ⅰ号减法器、ⅱ号减法器接入到噪声分析组件中。

所述频率简并纠缠光束产生组件包括与多通道波分复用器2相连的ⅰ号环形器61、ⅱ号环形器62，所述ⅰ号环形器61、ⅱ号环形器62接入到sagnec光纤环5中，所述ⅰ号环形器61与ⅰ号滤波器71相连，所述ⅱ号环形器62与ⅱ号滤波器72相连，所述ⅰ号滤波器71的输出端接入到ⅱ号50/50分束器32中，所述ⅱ号滤波器72的输出端接入到ⅲ号50/50分束器33中。

所述多通道波分复用器2向连接光纤中输入第一泵浦光束、第二泵浦光束、第三激光束，所述第一泵浦光束进入到ⅰ号环形器61中，所述第二泵浦光束进入到ⅱ号环形器62中，所述第三激光束进入到ⅰ号50/50分束器31中，所述多通道波分复用器2与ⅰ号环形器61之间设置有用于控制第一泵浦光束偏振的ⅰ号偏振控制器41，所述多通道波分复用器2与ⅱ号环形器62之间设置有用于控制第二泵浦光束偏振的ⅱ号偏振控制器42。

所述ⅰ号50/50分束器31接收第三激光束并分别向ⅱ号50/50分束器32、ⅲ号50/50分束器33输出第一本底光束、第二本底光束。

所述ⅰ号50/50分束器31、ⅱ号50/50分束器32之间设置有控制第一本底光束偏振的ⅳ号偏振控制器44，所述ⅰ号50/50分束器31、ⅲ号50/50分束器33之间设置有控制第二本底光束偏振的ⅴ号偏振控制器45。

所述sagnec光纤环5中设置有调节光纤环中对向传输光束位相差的ⅲ号偏振控制器43。

所述的锁模光纤激光器1输出宽谱激光束，宽谱激光束通过多通道波分复用器2输出第一泵浦光束、第二泵浦光束和第三激光束，第三激光束通过ⅰ号50/50分束器31分为第一本底光束和第二本底光束，与此同时，第一泵浦光束经ⅰ号偏振控制器41和ⅰ号环形器61输入sagnec光纤环5，第二泵浦光束经ⅱ号偏振控制器42和ⅱ号环形器62输入sagnec光纤环5；ⅲ号偏振控制器43置于sagnec光纤环5中。

sagnec光纤环5的一个端口输出光束经ⅰ号环形器61和ⅰ号滤波器71入射到ⅱ号50/50分束器32，第一本底光束经过ⅳ号偏振控制器44入射到ⅱ号50/50分束器32，ⅱ号50/50分束器32的两输出光束分别输入到ⅰ号光电探测器81和ⅱ号光电探测器82，ⅰ号光电探测器81和ⅱ号光电探测器82的输出信号经ⅰ号减法器91相减后输出信号光束正交分量信号。

sagnec光纤环5的另一个端口输出光束经ⅱ号环形器62和ⅱ号滤波器72入射到ⅲ号50/50分束器33，第二本底光束经过ⅴ号偏振控制器45入射到ⅲ号50/50分束器33，ⅲ号50/50分束器33的两输出光束分别输入到ⅲ号光电探测器83和ⅳ号光电探测器84，ⅲ号光电探测器83和ⅳ号光电探测器84的输出信号经ⅱ号减法器92相减后输出闲频光束正交分量信号。

上述信号光束正交分量信号和闲频光束正交分量信号同时输入加减法器10进行正交位相相加运算/正交振幅相减运算，运算后的信号输入电子频谱分析仪11进行位相和噪声与振幅差噪声的分析，并与散粒噪声基准比较，完成分析。

其中，ⅱ号50/50分束器32的两个输入端口同时入射。

其中，ⅲ号50/50分束器33的两个输入端口同时入射。

所述第一泵浦光束和第二泵浦光束频率不同，带宽相同，第一本底光束和第二本底光束频率和带宽均相同，第一泵浦光束和第二泵浦光束的中心频率满足位相匹配条件，第一本底光束和第二本底光束的中心频率与产生的简并纠缠光束的中心频率相同。

所述第一泵浦光束和第二泵浦光束的偏振方向分别由ⅰ号偏振控制器41和ⅱ号偏振控制器42调节，使第一泵浦光束和第二泵浦光束入射到sagnec光纤环5时偏振方向相同，并产生简并四波混频效应。

所述的sagnec光纤环5为色散位移光纤、高非线性光纤、光子晶体光纤等非线性光纤的两端分别与50/50分束器的一对透射和反射端口焊接而成。

所述ⅲ号偏振控制器43用于调节sagnec光纤环5内双向传输光束的相位差，使第一泵浦光束和产生的信号光束从sagnec光纤环的其中一端口输出，第二泵浦光束和产生的闲频光束从sagnec光纤环的另一端口输出。

所述的ⅰ号滤波器71和ⅱ号滤波器72的带宽相同，中心频率均与所产生的简并纠缠光束的中心频率相同。

所述第一本底光和第二本底光的偏振分别由ⅳ号偏振控制器44和ⅴ号偏振控制器45调节，使两者分别与两分离后的纠缠光束偏振相同。

一种全光纤频率简并纠缠光束的产生装置的产生方法，包括以下步骤：

ⅰ.对各路光束的光程进行匹配

ⅱ.对两泵浦光束的偏振进行匹配

ⅲ.对光纤环中对向传输光束的位相差进行调节

ⅳ.对两本底光和纠缠光束的偏振进行匹配

ⅴ.标定散粒噪声标准

ⅵ.测量振幅差噪声与位相和噪声，并与步骤ⅴ的散粒噪声标准进行比较。

步骤ⅰ中需要进行光程匹配的光束包括第一泵浦光束、第二泵浦光束、第一本底光束、第二本底光束。

其中，对各路光束的光程进行匹配，具体步骤如下：

a.首先、打开锁模光纤激光器1，将ⅰ号环形器61与ⅰ号滤波器71断开连接，并将ⅰ号环形器61输出的光束接入到光电探测器，探测信号用电缆线输入超快示波器，观察探测到的第一泵浦光和第二泵浦光的电脉冲信号时间差异，然后在光路中增减光纤，使示波器上两脉冲信号重合，即第一泵浦光和第二泵浦光到达光纤环时光程相同，从而在光纤环中发生简并四波混频过程，产生频率简并纠缠光束。

b.将第二本底光与ⅲ号50/50分束器断开连接，并将第二本底光替换第二泵浦光输入ⅱ号环形器62，通过在第二本底光的光路中增减光纤长度匹配第一泵浦光和第二本底光光程，使其相同，此时第二本底光到达ⅲ号50/50分束器33时，通过的光程与第一泵浦光和第二泵浦光产生的纠缠光束光程相同。

c.将ⅰ号环形器61与ⅰ号滤波器71恢复连接，打开ⅰ号光电探测器81电源，将ⅰ号光电探测器81输出信号接入超快示波器，通过在第一本底光光路中增减光纤，匹配第一本底光和第二本底到达ii号50/50分束器的光程，使两者相同，即此时第一本底光与经过第一滤波器的两泵浦光产生的纠缠光束光程相同。

d.将第二本底光与ⅲ号50/50分束器33恢复连接，将第一本底光与ⅱ号50/50分束器断开连接，并将第一本底光替换第一泵浦光输入ⅰ号环形器61，将ⅱ号环形器62与ⅱ号滤波器72断开连接，并将ⅱ号环形器62输出的光束接入光电探测器，探测信号用电缆输入超快示波器，通过在第一本底光的光路中增减光纤长度匹配第二泵浦光和第一本底光光程，使其相同，此时第一本底光到达ⅲ号50/50分束器33时，通过的光程与两泵浦光产生的纠缠光束光程相同。

此过程需要特别注意，增减第一本底光光纤长度是在能够恢复c步骤后第一本底光光纤长度的基础上进行的。

e.将ⅱ号环形器62与ⅱ号滤波器72恢复连接，打开ⅳ号光电探测器84电源，将ⅳ号光电探测器84输出信号接入超快示波器，通过在第二本底光光路中增减光纤，匹配第二本底光和第一本底到达ⅲ号50/50分束器33的光程，使两者相同，即此时第二本底光与经过ⅱ号滤波器72的两泵浦光产生的纠缠光束光程相同。

f.将第一本底光的光纤长度还原为c步骤后的光纤长度，将第一本底光和ii号50/50分束器恢复连接。

对两泵浦光束的偏振进行匹配的具体过程如下：

将ⅰ号环形器61与ⅰ号滤波器71断开连接，并将ⅰ号环形器61输出的光束输入光谱分析仪，在光谱仪上观察双泵浦光频谱外侧产生的新频率光谱，调节ⅰ号偏振控制器41和ⅱ号偏振控制器42使两新频率光谱强度最大。

对光纤环中对向传输光束的位相差进行调节的具体过程如下：

在光谱分析仪上观察第一泵浦光束和第二泵浦光束的频谱，调节ⅲ号偏振控制器43使第一泵浦光频谱强度最大，第二泵浦光频谱强度最小。

对两本底光和纠缠光束的偏振进行匹配的具体过程如下：

将ⅰ号环形器61和ⅰ号滤波器71恢复连接，打开电子频谱分析仪11的电源并设置参数，调节ⅳ号偏振控制器44和ⅴ号偏振控制器45，使电子频谱分析仪11上噪声曲线最高，此时说明两本底光与两纠缠光束偏振相匹配。

标定散粒噪声标准的具体过程如下：

打开ⅱ号光电探测器82和ⅲ号光电探测器83的电源，将ⅰ号滤波器71和ⅱ号滤波器72输出光束遮挡，通过电子频谱仪记录散粒噪声标准。

测量振幅差噪声与位相和噪声，并与步骤ⅴ的散粒噪声标准进行比较的具体过程如下：

将ⅰ号滤波器71和ⅱ号滤波器72输出光束遮挡移去，将观察到电子频谱分析仪11上噪声曲线大幅度下降，将加减法器10档位分别设置为加或减，进行观察及数据记录，并与第v步骤中获得的散粒噪声标准进行比较。

本发明利用两泵浦光束两端口入射内置偏振控制器的sagnec光纤环结构可以实现频率简并纠缠光束的产生和分离，调节时不需外接参考激光束，操作简单。

本发明整体为全光纤结构，装置体积小、稳定、易于接入光纤网络。