一种光子对源集成模块的制作方法

本申请涉及量子光学和量子通信技术领域，尤其涉及一种光子对源集成模块。

背景技术：

目前，具有纠缠特性的量子源是量子信息、量子计算、量子传感等技术中的核心组成部分，其中具有偏振纠缠特性的光子对源由于可以与当前成熟的光学偏振元件以及1.5μm波段光纤通信技术充分的兼容，在量子技术的实际工程应用中得到了十分广泛的关注和应用。

在现有技术中，通过偏硼酸钡(bbo)、周期极化铌酸锂(ppln)、周期极化磷酸氧钛钾(ppktp)等非线性光学晶体的自发参量下转换机制产生的光子对可实现偏振纠缠、时间-能量纠缠、角动量纠缠、位置-动量纠缠等多个维度的量子纠缠现象，其中光子对的偏振纠缠特性得到了最为广泛的研究和应用。

通过非线性光学晶体的自发参量下转换过程，波长在765nm～785nm的泵浦光源可以产生出波长在c波段(1530nm～1570nm)的光子对。在非线性光学作用过程中，所得到的光子对的数量，即光子对源的亮度，与泵浦光光源功率、非线性转换效率以及光波导损耗有着直接的关系，泵浦光光源功率越高、非线性转换效率越高、光波导损耗越低，则光子对数量越高、光子对源的亮度越高。

然而，在现有技术中，常常采用波长在765nm～785nm的半导体激光器作为光子对源的泵浦激光器，设备整体体积较大、成本较高、难以和光子对源集成、且输出光功率较低(约100mw)导致得到的光子对源的亮度不够高等问题，较大程度的限制了光子对源亮度的提高、小型化和集成化以及实际工程的应用。

技术实现要素：

为了解决上述现有的光子对源输出亮度不够高、设备整体体积较大、成本较高、难以和光子对源集成的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种光子对源集成模块，可以具有更高的输出光功率，有利于提高光子对源的光亮度。

第一方面，本申请提供了一种光子对源集成模块，包括：依次连接的激光器、偏振控制器、光学倍频组件、波分复用器和光子对源组件；

所述激光器用于输出第一激光光束；

所述偏振控制器用于调节所述第一激光光束的偏振态；

所述光学倍频组件用于对所述第一激光光束进行倍频得到第二激光光束；

所述波分复用器用于对所述第二激光光束进行滤波；

所述光子对源组件用于使用经过滤波后的所述第二激光光束通过自发参量下转换过程得到光子对。

可选的，所述光学倍频组件包括第一基底晶片、第一光波导、第一周期极化结构、第一光纤晶体载块、第一输入光纤、第一输出光纤和第一晶片温控台；

所述第一基底晶片固定放置在所述第一晶片温控台上；

所述第一光波导形成于所述第一基底晶片的表面；

所述第一周期极化结构布设在所述第一基底晶片表面，并沿所述第一光波导的光波传输方向排列；

所述第一光波导包括第一条形光波导和第一锥形光波导；

所述第一输入光纤经由一个所述第一光纤晶体载块与所述第一条形光波导的输入端耦合连接；

所述第一条形光波导的输出端与所述第一锥形光波导的输入端连接；

所述第一输出光纤经由一个所述第一光纤晶体载块与所述第一锥形光波导的输出端耦合连接。

可选的，所述第一输入光纤包括1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤；所述第一输出光纤包括750～800nm波长范围内的单模光纤。

可选的，所述第一基底晶片靠近所述第一光纤晶体载块的两侧边缘均设有一个第一晶体垫块。

可选的，所述光子对源组件包括第二基底晶片、第二光波导、第二周期极化结构、第二晶体垫块、第二光纤晶体载块、第二输入光纤、第二输出光纤和第二晶片温控台；

所述第二基底晶片固定放置在所述第二晶片温控台上；

所述第二光波导形成于所述第二基底晶片的表面；

所述第二周期极化结构布设在所述第二基底晶片表面，并沿所述第二光波导的光波传输方向排列；

所述第二光波导包括第二条形光波导和第二锥形光波导；

所述第二输入光纤经由一个所述第二光纤晶体载块与所述第二锥形光波导的输入端耦合连接；

所述第二锥形光波导的输出端与所述第二条形光波导的输入端连接；

所述第二输出光纤经由一个所述第二光纤晶体载块与所述第二条形光波导的输出端耦合连接。

可选的，所述第二输入光纤包括750～800nm波长范围内的单模光纤；所述第二输出光纤包括1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤。

可选的，所述第二基底晶片靠近所述第二光纤晶体载块的两侧边缘均设有一个第二晶体垫块。

可选的，所述激光器包括掺铒光纤激光器。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例通过提供一种光子对源集成模块，将激光器、偏振控制器、波分复用器等器件与光学倍频组件、光子对源组件进行了集成，设备整体体积较小、成本较低、可以具有更高的输出光功率，有利于提高光子对源的光亮度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例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简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光子对源集成模块的组成示意图；

图2为本申请实施例提供的光学倍频组件的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的光子对源组件的结构示意图。

图标：

1、激光器；2、偏振控制器；3、光学倍频组件；4、波分复用器；5、光子对源组件；31、第一基底晶片；32、第一光波导；321、第一条形光波导；322、第一锥形光波导；33、第一周期极化结构；34、第一光纤晶体载块；35、第一输入光纤；36、第一输出光纤；37、第一晶片温控台；38、第一晶体垫块；51、第二基底晶片；52、第二光波导；521、第二条形光波导；522、第二锥形光波导；53、第二周期极化结构；54、第二光纤晶体载块；55、第二输入光纤；56、第二输出光纤；57、第二晶片温控台；58、第二晶体垫块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，具有纠缠特性的量子源是量子信息、量子计算、量子传感等技术中的核心组成部分，其中具有偏振纠缠特性的光子对源由于可以与当前成熟的光学偏振元件以及1.5μm波段光纤通信技术充分的兼容，在量子技术的实际工程应用中得到了十分广泛的关注和应用。

在现有技术中，通过偏硼酸钡(bbo)、周期极化铌酸锂(ppln)、周期极化磷酸氧钛钾(ppktp)等非线性光学晶体的自发参量下转换机制产生的光子对可实现偏振纠缠、时间-能量纠缠、角动量纠缠、位置-动量纠缠等多个维度的量子纠缠现象，其中光子对的偏振纠缠特性得到了最为广泛的研究和应用。

通过非线性光学晶体的自发参量下转换过程，波长在765nm～785nm的泵浦光源可以产生出波长在c波段(1530nm～1570nm)的光子对。在非线性光学作用过程中，所得到的光子对的数量，即光子对源的亮度，与泵浦光光源功率、非线性转换效率以及光波导损耗有着直接的关系，泵浦光光源功率越高、非线性转换效率越高、光波导损耗越低，则光子对数量越高、光子对源的亮度越高。

然而，在现有技术中，常常采用波长在765nm～785nm的半导体激光器作为光子对源的泵浦激光器，设备整体体积较大、成本较高、难以和光子对源集成、且输出光功率较低(约100mw)导致得到的光子对源的亮度不够高等问题，较大程度的限制了光子对源亮度的提高、小型化和集成化以及实际工程的应用，基于此，本申请实施例提供一种光子对源集成模块，可以将激光器、偏振控制器、波分复用器等器件与光学倍频组件、光子对源组件进行了集成，设备整体体积较小、成本较低、可以具有更高的输出光功率，有利于提高光子对源的光亮度。

为了便于理解，下面对本申请实施例提供的一种光子对源集成模块进行详细介绍，参见图1，光子对源集成模块可以包括依次连接的激光器1、偏振控制器2、光学倍频组件3、波分复用器4和光子对源组件5；

激光器1用于输出第一激光光束；

偏振控制器2用于调节第一激光光束的偏振态；

光学倍频组件3用于对第一激光光束进行倍频得到第二激光光束；

波分复用器4用于对第二激光光束进行滤波；

光子对源组件5用于使用经过滤波后的第二激光光束通过自发参量下转换过程得到光子对。

这里，在本申请的一些具体实施例中，激光器1可以包括掺铒光纤激光器1，这里，激光器1可以产生并输出第一激光光束，这里将第一激光光束的频率记为ω1(或波长为λ1)；激光器1可以是窄线宽的掺铒光纤激光器1，输出的第一激光光束的波长在c波段，输出光功率不小于1mw。激光器1可以是连续光输出，也可以是脉冲光输出，这里不做具体限制。

这里，偏振控制器2可以用于调节激光器1输出的第一激光光束的偏振态，以保证第一激光光束在经过光学倍频组件3的倍频后获得的第二激光光束为最佳的非线性光学倍频效率以及最大的倍频光功率输出。这里，作为一个示例，偏振控制器2可以是手动型偏振控制器，如三环式光纤偏振控制器或挤压式光纤偏振控制器；也可以是电动型偏振控制器，如基于光纤挤压器的电控偏振控制器或基于电光晶体的电控偏振控制器。这里，为实现最大程度的集成化与智能化使用，作为一个优选示例，可以采用基于电光晶体光波导的电控式偏振控制器。

这里，光学倍频组件3可以将激光器1产生的频率为ω1(或波长为λ1)的第一激光光束通过光学倍频组件3的倍频这一光学非线性过程得到频率为ω2＝2ω1(或波长为λ2＝λ1/2)的第二激光光束。例如，激光器1产生的波长为1560nm的第一激光光束，通过光学倍频组件3后可以得到波长为780nm的倍频激光光束即第二激光光束。

这里，波分复用器4可以放置于光学倍频组件3与光子对源组件5之间，可以用于对从光学倍频组件3中输出第一激光光束进行滤波，这里结合上面示例所描述的，波分复用器4可以将从光学倍频组件3中输出的波长在1530nm～1570nm的第一激光光束和波长在765nm～785nm的倍频激光光束即第二激光光束进行滤波，以避免1530nm～1570nm的第一激光光束进入光子对源组件5中，造成光子对探测时的噪声影响。

这里，结合上面示例所描述的，光子对源组件5可以使用通过光学倍频组件3产生的、频率为ω2的倍频激光光束即第二激光光束作为泵浦光，通过自发参量下转换这一光学非线性过程得到频率为ω3和ω4的光子对。这里，频率为ω3和ω4的光子对可以是具有相同偏振的模式，也可以是具有正交偏振的模式；光子对可以具有相同的频率即ω3＝ω4，也可以具有不同的频率即ω3≠ω4，但光子对的频率需要满足能量守恒条件即hω3+hω4＝hω2。

本申请实施例提供的光子对源集成模块，将激光器1、偏振控制器2、波分复用器4等器件与光学倍频组件3、光子对源组件5进行了集成，设备整体体积较小、成本较低、可以具有更高的输出光功率，有利于提高光子对源的光亮度。

在本申请的一些具体实施例中，参见图2，光学倍频组件3包括第一基底晶片31、第一光波导32、第一周期极化结构33、第一光纤晶体载块34、第一输入光纤35、第一输出光纤36和第一晶片温控台37；

第一基底晶片31固定放置在第一晶片温控台37上；

第一光波导32形成于第一基底晶片31的表面；

第一周期极化结构33布设在第一基底晶片31表面，并沿第一光波导32的光波传输方向排列；

第一光波导32包括的第一条形光波导321和第一锥形光波导322；

第一输入光纤35经由一个第一光纤晶体载块34与第一条形光波导321的输入端耦合连接；

第一条形光波导321的输出端与第一锥形光波导322的输入端连接；

第一输出光纤36经由一个第一光纤晶体载块34与第一锥形光波导322的输出端耦合连接。

这里，第一晶片温控台37一方面可以用于放置和固定第一基底晶片31，另一方面还可以用于对第一基底晶片31及形成于其中的第一光波导32进行温度控制，比如可以进行从室温至250℃的温度范围的加温及±1℃精度的温度控制。

这里，第一基底晶片31可以为具有非线性光学效应的光学晶体，可以是铌酸锂、钽酸锂、磷酸氧钛钾等同组分的光学晶体材料中的其中一种，也可以是近化学计量比的铌酸锂晶体或钽酸锂晶体、氧化镁掺杂或镁掺杂的铌酸锂或钽酸锂晶体等特种光学晶体材料中的其中一种。优选采用氧化镁掺杂的铌酸锂晶体。作为一个示例，第一基底晶片31的晶体切向可以为z切，厚度在0.1mm～2.0mm，优选为0.5mm。

为了减少由于背向反射或菲涅尔反射造成的光能量损失，第一基底晶片31抛光为不大于15°的倾斜角度，或者，第一基底晶片31可以镀有一层抗反射膜。

这里，第一光波导32可以形成于第一基底晶片31的表面，其形成方式可以是如下两种方式的其中之一：

(1)对于i类准相位匹配的非线性光学效应，第一光波导32可以采用退火质子交换或反质子交换等形成方式的其中之一，实现单偏振模式的传输；

(2)对于ii类准相位匹配的非线性光学效应，第一光波导32可以采用钛扩散、锌扩散、氧化锌扩散等形成方式的其中之一，实现双偏振模式的传输。

此外，第一光波导32也可以是通过湿法腐蚀、干法刻蚀、精密光学切割等技术手段形成的具有脊形凸起的光波导。当然，也可以是上述技术手段的结合，例如形成有脊形凸起的钛扩散光波导。

这里，第一周期极化结构33可以形成于第一基底晶片31的表面，且分别形成于第一光波导32处，其周期结构分布方向与第一光波导32的光波传输方向相同。

这里，第一周期极化结构33的极化周期λ可以在如下三个范围内的其中之一：6μm～9μm、18μm～21μm、27μm～34μm，且极化周期λ的设计满足下式：λ＝2π/(kp-ks+ki)。以光子对产生过程为例，kp代表泵浦光的波矢，ks代表信号光的波矢，ki代表闲频光的波矢。

这里，在第一基底晶片31中，第一锥形光波导322的波导宽度是线性变窄的，其初始波导宽度与条形光波导的宽度相同，例如在1560nm工作波长下的波导宽度为6μm～8μm，线性地变窄至780nm工作波长下为1μm～3μm。第一锥形光波导322的长度可以不小于1mm。第一条形光波导321的长度可以不小于10mm。

这里，第一激光光束可以从第一条形光波导321入射进入，经第一周期极化结构33的非线性频率变换作用得到的倍频激光光束即第二激光光束，这里第二激光光束可能会和入射的第一激光光束混合在一起，通过第一锥形光波导322的光波模式滤波作用将入射的第一激光光束进行滤波，以保持倍频激光光束即第二激光光束的单模状态输出。

这里，形成于第一基底晶片31中的第一条形光波导321和第一锥形光波导322为氧化锌扩散光波导。这里，基于氧化锌扩散光波导的光学倍频组件3可以实现c波段的激光光束波向765nm～785nm的转换。氧化锌扩散光波导具有高抗光损伤能力，因此可以使用高功率的c波段的激光光束，经过非线性频率变换得到的765nm～785nm的波长范围内的倍频激光光束即第二激光光束的光功率更高。

在本申请的一些具体实施例中，第一输入光纤35可以包括1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤；第一输出光纤36可以包括750～800nm波长范围内的单模光纤。

这里，第一输入光纤35可以与第一条形光波导321的输入端耦合连接，第一输入光纤35可以为1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤，可以是保偏的单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。第一输出光纤36可以放置与第一锥形光波导322的输出端耦合连接，第一输出光纤36可以为750～800nm波长范围内的单模光纤，可以是保偏的单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。

这里，在本申请的一些具体实施例中，两个光纤晶体载块上可以分别可以设有用于放置第一输入光纤35和第一输出光纤36光纤放置口，这里，光纤放置口可以指用来放置光纤的沟槽或者通孔等，作为一个示例，光纤晶体载块可以是方形或长方形晶体，光纤晶体载块的表面预先制作有v形、方形、半圆形等其中一种形状沟槽的光纤放置口，或者，光纤晶体载块可以是圆形晶体或d形晶体，光纤晶体载块中心可以形成有圆孔形状的光纤放置口。这里，第一输入光纤35和第一输出光纤36与光纤放置口之间的空隙可以填充满紫外胶水并通过紫外光曝光以充分固化，经抛光后与第一光波导32进行耦合粘接连接。第一光纤晶体载块34可以采用铌酸锂、钽酸锂、石英、玻璃、硅等晶体材料，未特别限定。作为一个优选示例，第一光纤晶体载块34可以是采用中心形成有圆孔的d形玻璃圆管。在本申请的一些具体实施例中，为获得与第一光波导32最佳的耦合效率，第一光纤晶体载块34可以相应地抛光成不大于15°的倾斜角度。

为了增加第一光纤晶体载块34与第一基底晶片31耦合粘接时的粘接面积和粘接强度，在本申请的一些具体实施例中，第一基底晶片31靠近第一光纤晶体载块34的两侧边缘均设有一个第一晶体垫块38。在本申请的一些具体实施例中，第一晶体垫块38的厚度可以不小于0.5mm，第一晶体垫块38可以选择与第一基底晶片31相同的晶体材料以及晶体切向，以保证第一晶体垫块38与第一基底晶片31有相同的热膨胀特性。

在本申请的一些具体实施例中，参见图3，光子对源组件5包括第二基底晶片51、第二光波导52、第二周期极化结构53、第二光纤晶体载块54、第二输入光纤5655、第二输出光纤和第二晶片温控台57；

第二基底晶片51固定放置在第二晶片温控台57上；

第二光波导52形成于第二基底晶片51的表面；

第二周期极化结构53布设在第二基底晶片51表面，并沿第二光波导52的光波传输方向排列；

第二光波导52包括第二条形光波导521和第二锥形光波导522；

第二输入光纤55经由一个第二光纤晶体载块54与第二锥形光波导522的输入端耦合连接；

第二锥形光波导522的输出端与第二条形光波导521的输入端连接；

第二输出光纤56经由一个第二光纤晶体载块54与第二条形光波导521的输出端耦合连接。

这里，第二基底晶片51的工作原理和结构可以参见上述第一基底晶片31，两者原理相同，这里不做赘述；同样的，第二晶片温控台57可以参见上述第一晶片温控台37的描述，第二光纤晶体载块54可以参见上述第一光纤晶体载块34的描述，这里不做赘述。这里，第二光波导52形成于第二基底晶片51的表面，第二光波导52的形成方式可以参见上述第一光波导32的形成方式，这里不做赘述；这里，第二光波导52包括第二条形光波导521和第二锥形光波导522；这里，第二周期极化结构53的极化周期可以参见如第一周期极化结构33的计划周期描述，这里不再赘述；这里，第二基底晶片51也可以镀有抗反射膜，这里，结合上面示例所描述的，作为一个示例，第一基底晶片31的光输入端面可以镀有1530nm～1570nm的抗反射膜，光输出端面可以镀有765nm～785nm的抗反射膜；第二基底晶片51的光输入端面可以镀有765nm～785nm的抗反射膜，光输出端面可以镀有1530nm～1570nm的抗反射膜。

这里，作为一个优选示例，形成于第二基底晶片51中的第二条形光波导521和第二锥形光波导522可以为反质子交换光波导。这里，在第二基底晶片51中，第二锥形光波导522的波导宽度是线性变宽的，从其初始波导宽度线性地变宽至与第二条形光波导521相同的宽度。例如从780nm工作波长下的1μm～3μm变化至1560nm工作波长下的6μm～8μm。第二锥形光波导522的长度不小于1mm。第二条形光波导521的长度不小于10mm。第二锥形光波导522可以用于实现倍频光束即第二激光光束在第二基底晶片51中的单模激发，以实现光子对产生过程的最佳的非线性转换效率。

在本申请的一些具体实施例中，第二输入光纤55包括750～800nm波长范围内的单模光纤；第二输出光纤56包括1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤。这里，第二输入光纤55可以与第二锥形光波导522的输入端耦合连接，第二输入光纤55可以为750～800nm波长范围内的单模光纤，可以是保偏的单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。第二输出光纤56可以与第二条形光波导521的输出端耦合连接，第二输出光纤56可以为1500nm～1600nm波长范围内的单模光纤，可以是保偏的单模光纤，也可以是非保偏的单模光纤。

在本申请的一些具体实施例中，第二基底晶片51靠近第二光纤晶体载块54的两侧边缘均设有一个第二晶体垫块58。这里，第二晶体垫块58的原理和作用可以参见上述第一晶体垫块38的描述，这里不再赘述。

本申请实施例提高的一种光子对源集成模块采用具有高倍频效率的非线性光波导晶体将波长在c波段的高功率掺铒光纤激光器1的输出光波转换至765nm～785nm，与现有半导体激光器相比具有更高的输出光功率，有利于提高光子对源的光亮度；通过将掺铒光纤激光器1、偏振控制器2、波分复用器4等有源或无源的光纤器件与光学倍频组件3、光子对源组件5的高度集成，与现有采用分立的光学元件和仪器设备搭建光子对源的实验室技术方案相比，具有更高的集成度、更小的体积、更高的可靠性和更低的成本。即将泵浦光源、光子对源以及波分复用器4通过光纤进行集成采用具有高倍频效率的非线性光波导晶体将高功率掺铒光纤激光器1的输出光通过非线性倍频效应转换至765nm～785nm，并以此倍频激光光束作为自发参量下转换过程的泵浦光源。该光子对源集成模块具有亮度高、集成度高、成本低等特点，有利于实现光子对源在量子通信、量子计算等量子技术领域中的工程应用。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。