偏振纠缠光子的三明治波导源 |
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| 申请号 | CN201510753386.8 | 申请日 | 2011-11-10 | 公开(公告)号 | CN105182654A | 公开(公告)日 | 2015-12-23 |
| 申请人 | 昆士技术有限公司; | 发明人 | 罗夫·谢伦·霍恩; | ||||
| 摘要 | 本公开涉及三明治 波导 ，其包括一对基质材料，每一个基质材料中含有波导组件。多个波导组件以物理彼此 接触 的方式形成复合波导，从而形成三明治波导。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种系统，包括： |
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| 说明书全文 | 偏振纠缠光子的三明治波导源[0002] 相关申请的交叉引用 技术领域[0004] 本发明总体涉及古典与量子光学以及量子信息科学，更具体涉及三明治结构的光波导。 背景技术[0005] 量子信息科学在科学研究领域中快速发展，这其中包含了纠缠光子领域中的研究。在常见的技术中，通常使用Sagnac干涉仪制造非衰退性的偏振纠缠光子对(即不同频率的光子对)。该技术包括使用两束反向传播的强光泵浦或照射非线性晶体，其与以泵浦频率的大致一半为中心的光成I型相位匹配。在干涉仪的一个支路中，光学输入光束和输出光束的偏振方向旋转大约90度。两个支路出来的光在偏振分光镜(PBS)处合并，从PBS出来的光的关于偏振的信息被擦除，且产生量子纠缠光子。泵浦光的波长被两道PBS输出滤掉，且信号以波长做分割。然而，使用Sagnac源具有其缺点。因为它是双向的，其光学元件需要能容忍两种波长且光纤耦合晶体必须能承受相位的不稳定。 [0006] 另一种产生纠缠光子的方法涉及使用两个独立的非线性晶体，分别置于平衡的Mach-Zehnder干涉仪的支路中。在此情况下，进入干涉仪的激光泵浦光在第一PBS处被分成两路(支路)。如同在Sagnac干涉仪中一样，每个支路中的每个晶体便于经由I型相位匹配产生光子对。在一个支路中，确保在那里产生的光子对的偏振方向与可能在另一支路中产生的光子对的偏振方向正交。支路在第二PBS处合并可以创造出偏振纠缠态。此解决方法的主要缺点或困难在于干涉仪的支路需要精确的平衡，而两个晶体需要尽可能的相同，以确保有相似的双光子光谱特性。 [0007] 正因此，所以需要提供新的方法与装置应用于三明治波导结构，以克服先前技术所遭遇的难题。 发明内容[0008] 本发明涉及一种用于三明治波导的装置及其方法，此三明治波导装置可克服已知方法与系统中产生偏振纠缠光子时的一些缺点。在实施例中，本发明可看作是物理上平坦的Mach-Zehnder干涉仪(从而去除了正常Mach-Zehnder干涉仪中支路部分)或以更通俗的来说，可看作是三明治源。本发明涉及可以通过将激光聚焦在两基质材料，如下转换晶体，以三明治的方式夹着的界面而产生的偏振纠缠双光子态。术语双光子是指无法以传统方式描述的两个光子。在一个实施例中，被泵浦出或发射出来的激光波长接近于二次谐波波长，二次谐波的波长相对于期望的输出双光子态的波长而言。具体而言，可以选择泵浦光或入射光的波长以提高纠缠光子的产量和质量，且不但与晶体或基质材料有关，也与将双光子中的非衰退波长分开的能力有关。晶体最好能满足输入波长与双光子态的波长的I型、II型或准相位匹配。当在I型相位匹配的情况下操作时，为了产生纠缠光子，两晶体要使它们各自的下转换光子以彼此不平行的偏振方向发出。在优选实施例中，其中一个下转换晶体所产生的下转换光子与另一个晶体产生的下转换光子的偏振方向垂直。在本发明的实施例中涉及使用波导改善纠缠态光子的生成效率，尽管这是非必要的。当在II型相位匹配的情况下操作时，双光子波长非衰退。在一个实施例中，其中一个下转换晶体所产生的双光子对的一半即具有较短波长)的偏振方向与另一个下转换晶体所产生的双光子对的一半(也具有较短波长)的偏振方向垂直。 [0009] 根据本发明的一个方面，提供一种系统，包括：三明治源，其响应于在第一晶体和第二晶体之间的界面处泵浦到所述三明治源中的光，来产生偏振纠缠光子，所述三明治源包括：所述第一晶体，其具有第一接合面；以及所述第二晶体，其具有第二接合面，所述第一接合面在所述第一晶体和所述第二晶体之间的所述界面处接合至所述第二接合面，所述界面从所述三明治源的输入端延伸至所述三明治源的输出端；输入，其光耦合至所述三明治源的输入端，以在所述界面处将光泵浦到所述三明治源中；以及输出，其光耦合至所述三明治源的输出端，以收集所述三明治源所产生的偏振纠缠光子。 [0010] 根据本发明的另一方面，提供一种方法，包括以下步骤：将光泵浦到三明治源的输入端中，所述三明治源包括：第一晶体，其具有第一接合面；以及第二晶体，其具有第二接合面，所述第一接合面在所述第一晶体和所述第二晶体之间的所述界面处接合至所述第二接合面，所述界面从所述三明治源的输入端延伸至所述三明治源的输出端；响应于在所述第一晶体和所述第二晶体之间的所述界面处泵浦到所述三明治源的光，来在所述三明治源中产生偏振纠缠光子；以及从所述三明治源的输出端收集所述偏振纠缠光子。附图说明 [0011] 现将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例。 [0012] 图1为实施例中三明治波导源以及如何产生量子纠缠光子的示意图； [0013] 图2为制作三明治波导源的第一方法流程图； [0014] 图3为建构三明治波导源的另一实施例的流程图； [0015] 图4为描述图3的方法的示例的示意图；并且 [0016] 图5为三明治波导源的示意图。 具体实施方式[0018] “实验参考面(Lab reference frame)”一般将重力的方向视为垂直，而与重力方向垂直的方向视为水平。 [0019] “晶体参考面(Crystal reference frame)”是指晶体内的键结方向。举例来说，对于单轴材料，其z或“Z”轴通常可看作晶体“c”轴，或是视为通常在其中发现晶体中原子间最大分离的方向。晶体参考面不一定与实验参考面一致。 [0020] “下转换(Down conversion)”是指一种称为参数下转换的物理过程。此过程可被激发或自发，并且描述泵浦光子的裂变进入到两个衰变光子时节约能源与动力的物理过程。 [0021] “I型(Type I)”为下转换的一种类型，其中下转换光子有相同的偏振方向。 [0022] “II型(Type II)”为下转换的一种类型，其中下转换光子的偏振方向正交。 [0023] “相位匹配(Phase Matching)”，即裂变光子与泵浦光子有良好的相位匹配。这通常也称作动量匹配，也可显著的决定裂变光子的波长。 [0024] “泵浦(Pumping)”，为导入或注入激光或传统光于基质材料或波导内。 [0025] 本发明涉及三明治波导。在一个实施例中，三明治波导用于偏振纠缠光子的源。在一个实施例中，三明治波导源可以包括一对包括波导组件的下转换晶体。 [0026] 图1为实施例中三明治波导源以及量子纠缠效应是如何产生的的示意图。 [0027] 在第一基质材料如晶体10中的波导组件12可视为第一波导组件。在I型的例子中，第一波导组件的表面的取向使得在第一波导组件中产生的下转换光子具有与表面法线共线的方向。将第一波导组件12的表面的法线方向标为垂直，然后此波导组件12可以产生|Vi，Vs>态的光子，其中“V”表示垂直(Vertical)，下标i与s则表示“空闲(idler)”与“信号(signal)”光子，空闲与信号的命名主要用来区分当光子对进入波导组件时其频率高或低的不同(或者是波长短或长的区别)。 [0028] 在第二基质材料如晶体16中的波导组件14可视为第二波导组件。此第二波导组件14的表面的取向使得在第二波导组件中产生的下转换光子包括处于表面的平面中的偏振方向。将第二波导组件的表面的平面标为水平。此波导组件14可以产生|Hi，Hs>态的光子；在此H表示水平。 [0029] 另外，在II型的例子中，下转换光子有彼此正交的偏振方向。将第一波导组件12的表面的法线方向标为垂直，则该波导组件12可以产生|Hi，Hs>态光子，其中H表示水平，V表示垂直，下标i与s则表示“空闲”和“信号”光子。 [0030] 进一步，在II型的例子中，将第二波导组件的表面的平面标为水平，则波导组件14可以产生|Vi，Hs>态光子，其中H表示水平，V表示垂直。 [0031] 两晶体10与16迭在一起互为三明治结构，如第一波导组件(12)与第二波导组件(14)是相接的，优选物理相接，在一实施例中，一个在另一个上方。它们经由光学对齐而形成单一“复合波导”。当这些波导组件合并形成复合波导时，此时复合波导会(经由下转换iΘ iΘ过程)生成纠缠态光子对，经受大致标准化(|HiHs>+e |ViVs>)or(|HiVs>+e |ViHs>)，式中Θ为任意相位。为了改善两基质材料或晶体的接触，可以向两个接合面施加粘合剂。为了进一步改善接触，可以将两晶体10与16的接合面抛光以提供更平滑的接合面。 [0032] 为了使用复合波导创造纠缠态，要去除关于哪个波导组件负责产生任何特定光子或光子对的区分信息。一种方式是使波导组件尽可能的相同。为此，在本发明的一个实施例中，使用具有相同相位匹配条件的基质材料或相同材料的晶体。在某些情况下，即使使用相同的材料制造两个波导组件，也仍然可能存在差别，尤其是在相位匹配条件方面。一种可以补偿这差异的方法是利用温度调整两个波导组件12或14中的一个的相位匹配条件。这可以使用可附着到下转换晶体10或16的热电冷却器(TEC)来实现。第二种调整方法是在一个下转换晶体上制造多个波导组件，各个波导组件具有稍稍不同的相位匹配条件。这可以通过例如在周期极化的晶体中改变每个波导的极化周期来实现。由于波导组件的相位匹配条件可被测试，因此可以从存在多个波导的晶体中的每个下转换晶体中选择最适当的波导组件。这些波导组件可以被以三明治形式形成复合波导。一般而言，激发下转换过程所必需的输入或泵浦光应当是某方向线偏振的。由于其中一个波导组件的晶体取向与另一晶体的取向呈接近90度旋转，因此，为了同时激发两个波导组件，对波导组件的发射光优选大约在介于需要光学激发单独波导组件中的每一个的之间的中间位置偏振。简单来说，将该偏振方向称为45度方向。 [0033] 在某些情况下，从波导组件中出现的光学模的不同空间位置为导致第二种关于在何处产生光子对的区分信息。这是由于以物理方式区别波导组件的位置，也可能会使三明治结构中的纠缠质量下降。可去除该信息的方法是将出射光中的两个模耦合到单模光纤内，从而消除该“位置”信息。若两波导组件之间的物理间隙不够小时，则区分信息将会产生。在波导组件中的物理间隙大于阈值时，会使得激光泵浦光到复合波导的耦合下降，也使得后续的从复合波导出来的下转换光到光纤的耦合下降。有几种可以增大耦合的方法，第一种方法是使用薄光束偏移器(例如适于将基于偏振的光束偏移的方解石或任何其它光学材料)可被包括在波导组件的一端，以使从一个波导组件出来的光偏移，使得其从与其它波导组件出来的光以同一物理点出射。第二种方法是在基质材料或晶体之间的间隙中加入折射率匹配胶。此胶可辅助粘结波导组件，从而允许来自每个波导组件的光与其它光混合。在这种方法中，从波导组件出来的纠缠光的量可以增大或可能被优化。第三种方法是将两个晶体的接合面抛光，使得接合面平坦或光滑。此技术可以使波导组件表面更接近和/或使得三明治界面更平坦。 [0034] 另一便于改善耦合的方法可以是以此方式制作波导组件，即使得波导组件充当单模波导。在此实施例中，可以制作或选择波导组件，使得每个波导组件的芯(光被限制在其中的区域)的尺寸大约是用于单模操作时的正常尺寸的一半。人们可以通过裁切波导组件的所选深度与宽度，从而做成复合波导本征模或“三明治模”以更近似于单模波导。也可以改善在输出处向单模光纤的耦合效率。 [0035] 比起其它波导组件，由于在其中一个波导组件中生成的光子会以不同的速度传输，因此会产生散射情况。该效应可被预期至最小。这种模态散射可以使用附加的光学元件或散射补偿技术来补偿。 [0036] 发射到三明治波导中的光的波长可以调整，以在阈值处激发波导组件，阈值可能包括最优波长值。所谓的优化是指最有用的纠缠光子对之“可见”率。本发明的一个优点是波导可以更紧凑与稳定，并且可以将光纤直接耦合至三明治波导组件输出与输入的面。此举也可消除或减轻背景技术中描述干涉仪方法的“支路”的长度。在输出面使用双色光纤分束器可使非衰退偏振纠缠光子几乎完整的到达光纤(节省了非线性晶体)并达到相位稳定。可得到非常简单、鲁棒和紧凑的非衰退偏振纠缠光子源。 [0037] 原则上，三明治波导不限于波导，也可使用其它块状材料，在这种情况下，不是将光耦合进波导组件，而是可以将光聚焦到大约两个晶体之间的接合面的中心。 [0038] 三明治波导材料不限于特定的材料，而是可以是任何非线性材料。例如周期极化的铌酸锂(PPLN)、周期极化的钾钛磷(PPKTP)或是Beta-硼酸钡(BBO)。无论选择何种基质材料，满足产生纠缠光子所需的相位匹配是有利的。以上描述的三明治波导优选用于I型或II型相位匹配，并且可以是衰退的或非衰退的。 [0039] 在实施例中，三明治波导结构可以用于需要非衰退纠缠光子的任何应用，其中期望的波长可以在基质材料或下转换晶体中实现相位匹配。同样，三明治波导也可以反过来用于产生谐波光。 [0040] 图2a至2c说明三明治波导或三明治源的制作方法。该方法涉及将一对基质材料，例如晶体20和22整合，一个晶体20具有Y轴取向的波导表面，或者波导组件24，以及另一晶体22具有Z轴取向的波导表面，或波导组件26(如图2a所示)。在当前实施例中，两个晶体的整合形成T型源。T是为了明确组成波导组件的两个波导组件之间的晶体取向的不同。在制作三明治波导的过程中，需要谨记的是需要从两个波导制作波导组件，而波导与波导间彼此相邻。在最简单的例子中，两个波导中的每一个自身是由相同材料制成的波导。在图的上半部，一半满足I型或II型相位匹配，如此将有好的信号光子，且垂直于实验参考面偏振。另外(图的下半部)满足于I型或II型相位匹配，其信号光子的偏振方向与上半部中的信号光子呈90度偏振，在这种情况下，在实验室参考面水平偏振，如图1所描述的。 [0041] 为了制作T型三明治波导或三明治波导源，首先制备便于I型或II型下转换的两个长方形的非线性晶体，使它们的最大的表面沿一个方向，例如Y晶体方向，垂直。尽管不需使用相同的材料制作，但在优选实施例中，还是倾向于使用相同的材料。在其中一个晶体(或第一晶体)中，第一波导组件是使用晶体的短边制作，其中其波导空气接触面在第一方向如Z方向取向。在第二晶体中，其波导组件与空气的接触面在与第一方向垂直的第二方向取向。在图中，第二晶体的波导的表面以Y方向取向。其中一个晶体可以被翻转90度置于另一晶体上，使得波导组件以一个直接在另一个上面(针对晶体的长度)对齐而形成复合波导。然后可以将两个晶体以环氧树脂或是其它种类的黏胶，或是其它已知的方法粘合。 [0042] 波导组件可以直接使用光纤耦合(或自由空间耦合)，并使用二次谐波光以在与从每个波导组件期望输出的下转换光之间约45度的偏振方向，做单一方向的激发。 [0043] 一方面是将各自类似地便于以I型或II型相位匹配过程取向(关于晶体参考面)的两个波导组合。实施例中，组合或三明治化过程包含将两个波导优选以物理的方式相配在一起。参照图2a至2c，这可以通过以下步骤来实现：a)在能够在I型或II型相位匹配相互作用中居中选择的材料选项中制作波导(图2a)，不管该波导看起来如何，其都最好包括关于基础晶体轴以特定方向取向的表面；b)在满足相同的I型或II型相位匹配相互作用中的相同材料选项中制作第二波导，但使得其表面关于第一波导成90度的方向取向(图2b)；然后c)将其中一个波导外部或物理旋转90度，使其表面与另一波导贴和，同时保证两个波导一个直接在另一个的上面(图2c)。一旦以这种方式对齐，就使用合适的粘合材料或支撑机制来使得复合波导鲁棒并物理稳定，从而使得两波导不相对彼此移动。然后，将合适的输入光纤耦合并黏附到一端，并称其为输入端。在另一端处，光耦合并黏附用于纠缠光子波长的单模光纤。使用选择的合适激光，如激光二极管，在输入端，以适当的波长(例如在二次谐波附近)，并以适当的偏振方向(例如接近45度)来泵浦样品，使得其在两个波导组件激发的下转换反应相等(即两个波导大致上产生相同数量的光子对)。在输出端处，过滤泵浦模，并依据光纤波长分离纠缠光子。这产生鲁棒、小型光纤耦合的纠缠光子源。 [0045] 形成波导三明治的另一方面是调整波导。可以通过选择波导的尺寸与它们的本质取向来调整，然而波导尺寸的选择不应视作限制波导和晶体，因为该尺寸选择过程与改善波导三明治的调整有关，而非用于产生三明治波导。 [0046] 关于调整，每个波导组件(很可能小于标准波导)很可能有最优的波导形貌，使得复合波导更像单个波导一样工作，且更好地耦合到单模光纤。通过将输出耦合到单模光纤，所有的关于引导光子出射的区分信息都会丢失，而纠缠光子可以生成/保留。如果对于一个波导组件耦合良好，则可以将输入端的偏振方向调整偏离45度，以利于耦合不太好的波导，从而平衡该过程。如果其中一个波导组件的相位匹配不同于另一波导组件，则通常可以通过改变波导组件的温度或者通过仔细的选择另一波导而使相位匹配的差异性可忽略。这再一次恢复在两个波导组件的平衡并改善了纠缠光子的质量。在不可能将两个波导接合在一起的情况下，可能需要使用光束偏移机制，例如方解石，来使得器件可用。例如，可以将一片方解石以光学胶粘合至器件的末端，并研磨至所需要的厚度，当光退出两波导组件时可重迭。方解石可以应用于期间的一侧或两边。但缺点是这通常需要某种形式的时间或相位补偿来计算需要偏移的光与需要偏移的光之间所增加的光程差。由于更有可能能够基于光子的未来到达光子探测器的时间告知那个波导组件产生的一对光子，因此这种散射补偿是需要的。在理想情况下，不会需要这种额外的偏移材料。其它调整的可能性可以来自于将一种材料的一个波导组件与不同材料的另一波导组件接合。 [0047] 转向图3，其示出制作三明治波导的方法的另一实施例。图3的流程图包括创建晶体的步骤，但应当理解，可以简单地购买晶体，只要购买的晶体具有正确的特性，例如但不限于具有能够产生I型或II型下转换光的波导的一对晶体。另外，最好是两个晶体的相位匹配特性一致或接近于一致，并且两种材料具有相同或类似的线性光学特性(例如，对于所使用的波长具有相同的折射率)。 [0048] 在图3的流程图中，首先，执行确定可能适于形成晶体的基质材料，或用于波导组件的基质(步骤100)。晶体的某些特性可以包括但不限于对所关注的波长透射或能够支持有效参数下转换。非线性材料的示例包括但不限于铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4)、砷酸钛氧钾(KTiOAsO4)、碘酸锂(LiIO3)、钽酸锂(LiTaO3)、砷化镓(GaAs)以及砷化铝镓(AlGaAs)等。 [0049] 确定合适的材料后，选择第一材料(或材料A)后制作第一晶体(步骤102)。选择第二材料(或材料B)后制作第二晶体(步骤104)。 [0050] 然后执行检查以确认所选的两种材料是否能够支持波导(步骤106)。如果材料能够支持波导，则用材料A制作波导组件(步骤116)，使得其波导-空气面法线与例如在其下转换光子中产生的空闲光子的偏振方向垂直取向。用材料B制作第二波导(步骤118)，使得其波导-空气面法线与在其下转换光子中产生的空闲光子的偏振方向平行取向。将两个波导组件的波导-空气面组合在一起(步骤112)。在一个实施例中，将波导对齐以使彼此相邻，且对于晶体的整个长度，一个在另一个的上面(步骤120)。这使波导接合并形成三明治波导。然后可以将三明治波导光学优化，使其在其输出端耦合到单模光纤，在其输出端耦合到单模或多模光纤(步骤122)。为了稳定三明治波导，可以使用粘合剂例如但不限于光学胶将两种材料粘结。在将两个面接合在一起之前可以包括折射率匹配胶(步骤112)，以改善光纤耦合和/或改善光子偏振纠缠。然后波导组件被固定到一起以使三明治波导更鲁棒(114)。在一个实施例中，材料可以使用光学胶或环氧树脂固定在一起，但也可以想到将晶体粘结在一起的任何粘合剂或方法。三明治波导也可以用在没有光线耦合的自由空间配置中。 [0051] 如果两基质材料无法支持波导制作，则可使用两晶体组成简单的三明治波导，其中，第一晶体材料(材料A)的接合面的法线平行于例如其下转换光子产生的空闲光子的偏振方向(步骤108)，并且第二晶体材料(材料B)的接合面的法线垂直于其下转换光子产生的空闲光子的偏振方向(步骤110)。然后将接合面接合在一起(步骤112)并使用光学胶或类似的作用的胶/环氧树脂固定。然后该器件可用于自由空间配置(步骤114)。 [0052] 图4为将示出图3的流程的示例的流程与示意图与流程的合并。 [0053] 如图4的特定实施例所示，基质材料选为周期极化的铌酸锂(PPLN)，因为其对波长775nm与1550nm均透射，且在这些波长以选择的合适极化周期有效I型下转换(步骤100)。 [0054] PPLN被选用作为材料A(步骤102)与材料B(步骤104)。由于PPLN能够支持波导(步骤106)，因此在材料A中制作波导组件(步骤102)，在材料B中制作波导组件(步骤118)。步骤116中的双箭头标记是下转换光子的偏振方向垂直于波导表面(例如Z-切PPLN)，步骤118中的双箭头标记示出下转换光子的偏振方向在波导表面(例如Y-切PPLN)的平面中。然后通过将两个表面接合在一起将两材料组合(步骤112)(其中标记出了材料A和材料B)。当将两表面接合时，两个波导组件被对齐，或可以被对齐，其中一个在另一个的上面，然后例如利用粘合剂固定它们的位置(步骤120)。指定三明治波导组件的其中一端作为输出端(另一端作为输入端)，然后可以将单模光纤连接到输出端，将单模或多模光纤连接至输入端。 [0055] 具有波导组件的晶体的制造在此不再详细描述，但该过程应该可被理解。 [0056] 图5为三明治波导或三明治波导源与光纤耦合的上视图(基于图4中公开的过程)。在该图中，波导被画出以更清楚地反应该发明，尽管很可能其是不可见的。 [0057] 这里公开的三明治波导或三明治波导源有很多应用。举例来说，三明治波导可应用于量子信息科学协议、线性量子光学计算、单光子或多光子实验，或可用于基于量子密钥分发(QKD)的纠缠光子和/或单光子的量子源。QKD是一种实际分发密钥的方法，因此能够通过一次性板加密进行信息理论上安全的数据传送。三明治波导源的一个优点是可改善在实验中用于处理纠缠光子和基于QKD方案的纠缠光子所使用的当前纠缠光子源更稳定和紧凑。 [0058] 在前面的描述中，为解释的目的，给出了很多细节，以提供对实施例的透彻理解。但对本领域普通技术人员来说，这些特定的细节并非必须。 |
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