技术领域
[0001] 本实用新型涉及激光技术、非线性光物理技术、量子光学和量子通信技术领域，尤其涉及一种紧凑型单晶体薄腔和运用该薄腔的纠缠光子源系统。
背景技术
[0002] 量子纠缠源是研究量子信息技术的基石，高
亮度小型化和高纠缠度的量子
光源将为量子通信、计算和测量相关研究带来极大的便利。远距离的光纤通信需要传输的光子
波长位于光纤的通信窗口内，此外传输的光子线宽需要较窄，从而有效的避免光纤色散对光子脉冲的展宽影响。另一方面，远距离的量子通信需要用到量子
中继器，量子中继的核心是量子
存储器，量子存储器的有效光子线宽在GHz以内，因此窄线宽高亮度的光子对是实现远距离量子通信必不可少的关键部件。传统的基于腔内自发参量下转换的窄线宽光子对具有体积大，系统复杂度高，并且需要额外的
谐振腔才能得到窄线宽的光子对，这样庞大的光子产生系统无法满足未来对于小型化高度集成的量子控制系统的要求。实用新型内容
[0003] 为了克服上述
现有技术中的不足，为此，本实用新型提供紧凑型单晶体薄腔和运用该薄腔的纠缠光子源系统。
[0004] 为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0005] 紧凑型单晶体薄腔包括腔体和设置在腔体内的单晶体，所述紧凑型单晶体薄腔的自由
光谱程FSR和线宽Δυ分别满足一下公式：
[0006]
[0007]
[0008] 其中l为紧凑型单晶体薄腔的腔长，ny和nz分别表示晶体在y轴和z轴上的折射率，其中Fa＝2π/γa(a＝y,z)，γy和γz表示光子在腔内y轴和z轴的耗散，其中γa由输出端面
镀膜的透过率T和腔内内部吸收耗散组成，在通信波段晶体的吸收损耗可以忽略，因此可以得到γa＝Ta，c为光速，常数。
[0009] 进一步地，紧凑型单晶体薄腔输出经过偏振分束器分成垂直偏振光子和
水平偏振光子，设定垂直偏振光子为
信号光子，水平偏振光子为闲频光子，垂直偏振光子和水平偏振光子的簇
频率间隔定义为：
[0010]
[0011] 晶体的自发
辐射带宽由
相位匹配函数决定，即设定相位匹配函数为：
[0012] sin c2(Δkl/2) (4)
[0013] 假设相位匹配函数的半高全宽为ΔΩ，紧凑型单晶体薄腔满足：
[0014] ΔΩc＞ΔΩ (5)
[0015] 其中Δk为相位失配，且Δk＝kp-ks-ki+2π/Λ，其中kp、ks、ki分别表示
泵浦光、信号光子、闲频光子的波矢，FSRs和FSRi分别表示信号光子和闲频光子的自由光谱程，kp、ks、ki均符合公式kb＝2πnb/λb(b＝p,s,i)，其中nb为对应光的折射率，λb为对应光的波长，Λ为单晶体的极化周期，设定泵浦光和信号光子沿晶体光轴的y轴运动，闲频光子沿晶体光轴的Z轴运动，晶体光轴的y轴为晶体的长度方向，Z轴为晶体放置后的高度方向。
[0016] 进一步地，所述单晶体为二型相位匹配的周期性极化
磷酸氢
氧钾PPKTP。
[0017] 进一步地，所述紧凑型单晶体薄腔设置在晶体温控炉内。
[0018] 进一步地，单晶体入口端面设置有泵浦光的增透膜和第一波长光束的光反膜，出口端面设置有泵浦光的增透膜和第一波长光束的部分反射膜。
[0019] 一种运用上述的紧凑型单晶体薄腔的纠缠光子源系统，包括在光路上依次设置的[0020] 泵浦光
激光器Laser，用于发出设定波长的泵浦光，并且输出激光线宽<10MHz；
[0021] 第一光片组件，用于调节泵浦光的偏振和缩小光斑直径；
[0022] 双色镜DM，用于将泵浦波长和第一波长分开，产生光子时用于反射泵浦光输入薄晶体腔，表征腔的参数时，用于透射第一波长的检测激光；
[0023] 第二光片组件，用于将输出的光子对整合到设定的光斑大小；
[0024] 分光传输组件，用于滤除泵浦激光并且将偏振
正交的光子对分成垂直偏振光子和水平偏振光子输出；
[0025] 两个不等臂光纤干涉仪，分别用于对产生的垂直偏振光子和水平偏振光子进行双光子Franson干涉测量；
[0026] 符合计数组件，对两个不等臂光纤干涉仪输出的双光子进行时间
能量纠缠测量；
[0027] 所述紧凑型单晶体薄腔设置在双色镜DM和第二光片组件之间的光路上。
[0028] 进一步地，所述第一光片组件依次设置在光路上的波片单元和第一透镜单元。
[0029] 进一步地，所述分光传输组件包括在光路上依次设置的第二透镜单元、长通
滤波器LPF、偏振分束器PBS，还包括相应设置在经偏振分束器PBS分出的两束光路上的两个光纤
准直器。
[0030] 进一步地，所述符合计数组件包括2个分别对应接收两个不等臂光纤干涉仪输出端光子信号的超导单光子探测器SNSPD，2个超导单光子探测器SNSPD的输出光子输入到符合计数仪&中。
[0031] 一种运用上述的紧凑型单晶体薄腔的纠缠光子源系统，系统包括校正组件，所述校正组件包括快速
探头PD、示波器OSC、检测激光器，还包括依次设置的泵浦光激光器Laser、第一光片组件、双色镜DM、第二光片组件、半波片HWP2、偏振分束器PBS，所述紧凑型单晶体薄腔设置在双色镜DM与第二光片组件之间的光路上，所述快速探头PD设置在双色镜DM后端面接收第一波长光束，所述示波器OSC用于接收快速探头PD获取的信号并显示状态，所述检测激光器发出的检测光从分光传输组件的一个输出口反向经过第二光片组件进入到紧凑型单晶体薄腔内。
[0032] 本实用新型的优点在于：
[0033] (1)本实用新型采用很薄的非线性晶体单腔结构，具有体积小操控简单，并且通过选取合适的腔长l和镀膜参数，其中镀膜参数来调节透过率T，只需要满足公式(2)即可自由的设计所需要的光子线宽。并且由于紧凑型单晶体薄腔的共振作用，产生的光子的谱亮度相对于单次通过时的谱亮度被极大的增强，理论计算表面，通过紧凑型单晶体薄腔产生的光子对的谱亮度相对于单次通过时的普亮度的增强因子正比于紧凑型单晶体薄腔的细度的平方(F2)。
[0034] (2)紧凑型单晶体薄腔产生第一波长光束，由于紧凑型单晶体薄腔的共振作用，泵浦激光在紧凑型单晶体薄腔中产生自发参量下转换生成第一波长的垂直偏振光子和水平偏振光子的光子对，产生的光子对在腔内来回反射，实现共振增强输出。
[0035] (3)泵浦激光单次通过一
块二型相位匹配PPKTP晶体构成的薄腔，由于自发参量下转换过程，在腔内同时产生一对偏振正交的光子对，通过设计晶体的镀膜参数可以让产生的光子对从薄腔的后端面输出，只有与薄腔共振的光子才能从薄腔输出。晶体在设定波段可以保证腔内的偏振正交的光子的频率簇的间距大于光子的自发辐射增益带宽，从而可以保证在晶体的辐射带宽腔内只有一对频率的光子可以与紧凑型单晶体薄腔共振输出，从而可以实现单纵模运转。产生单纵模的光子对的紧凑型单晶体薄腔相对于传统的基于空间结构腔的方案具有体积小，操作简单，易于集成，对于远距离量子通信具有重要的意义。
[0036] (4)本实用新型中使用晶体温控炉，使晶体保持在设定的
温度范围内，从而影响单晶体的折射率来改变相位匹配条件。
[0037] (5)本实用新型中单晶体两端膜的设置的不同从而可以调节线宽Δυa。
[0038] (6)本实用新型中的纠缠光子源系统将垂直偏振光子和水平偏振光子分别通过两个不等臂干涉仪进行双光子Franson干涉测量从而表征时间能量纠缠特性，产生的垂直偏振光子和水平偏振光子分别经过两个臂差延迟一样的不等臂干涉仪，这样在双光子符合的
时间窗口上进行后选择，在中间窗口上进行符合测量，当一对垂直偏振光子和水平偏振光子同时走不等臂干涉仪的短臂和长臂的时间延迟一致，在符合窗口内不可区分，因此产生的双光子时间能量纠缠态可以写成
[0039] (7)所述波片单元将泵浦光调至水平偏振，所述第一透镜单元用于缩小光斑直径。
[0040] (8)所述第二透镜单元用于将输出的光子整个到设定光斑大小，长通滤波器LPF用于滤除泵浦激光，偏振分束器使输出的光子分成垂直偏振光子和水平偏振光子，垂直偏振光子和水平偏振光子分别经过相应的光纤
准直器后经过光纤传输到相应的不等臂光纤干涉仪中。
[0041] (9)本实用新型通过快速探头PD、示波器OSC、检测激光器器来校正紧凑型单晶体薄腔的效果，当检测完毕后可以从整个系统中拆除。由于经过紧凑型单晶体薄腔后会产生水平偏振光子和垂直偏振光子，为了使用一个快速探头PD和一个示波器OSC,将长通滤波器LPF替换成半波片HWP2，对水平偏振光子和垂直偏振光子的切换检测，在检测一种光子后，将半波片HWP2转动90度即得到检测另一种光子的状态。
附图说明
[0042] 图1为本实用新型纠缠光子源系统的光路结构示意图。
[0043] 图2为本实用新型为腔的表征结构图。
[0044] 图3为本实用新型中所使用晶体单腔H偏振和V偏振的透射谱。
[0045] 图4为本实用新型中光子的单路计数和符合计数随泵浦功率的关系图。
[0046] 图5为表征光子的符合计数与暗符合的比值CAR随功率的关系图。
[0047] 图6为本实用新型
实施例提供的时间能量纠缠光子的双光子Franson干涉曲线。
具体实施方式
[0048] 实施例1
[0049] 如图1-2所示，紧凑型单晶体薄腔包括腔体和晶体，紧凑型单晶体薄腔输出经过偏振分束器分成垂直偏振光子和水平偏振光子。设定垂直偏振光子为信号光子，水平偏振光子为闲频光子。所述单晶体为二型相位匹配的周期性极化磷酸氢氧钾PPKTP，所述紧凑型单晶体薄腔设置在晶体温控炉内。其中温控炉的
工作温度范围在15到70摄氏度内，控温
精度2mK。
[0050] 所述单晶体入口端面设置有泵浦光的增透膜和第一波长光束的全反膜，出口端面设置有泵浦光的增透膜和第一波长光束的部分反射膜。在该实施例中，以波长分别为780nm、1560nm的泵浦光和第一波长光束为例。即晶体入口端面的膜包括780nm的增透膜和
1560nm的全反膜，出口端面的膜包括780nm的增透膜和1560nm的部分反射膜，该部分反射膜的反射率为95％，即透过率为5％。紧凑型单晶体薄腔的腔长l为0.85mm。
[0051] 该紧凑型单晶体薄腔的自由光谱程FSR和线宽Δυ分别满足一下公式：
[0052]
[0053]
[0054] 其中l为紧凑型单晶体薄腔的腔长，ny和nz分别表示晶体在y轴和z轴上的折射率，其中Fa＝2π/γa(a＝y,z)，γy和γz表示光子在腔内y轴和z轴的耗散，其中γa由输出端面镀膜的透过率T和腔内内部吸收耗散组成，在通信波段晶体的吸收损耗可以忽略，因此可以得到γa＝Ta，c为光速，常数。
[0055] 在确定紧凑型单晶体薄腔的长度和镀膜参数的前提下，下一步就是要确定产生的光子对是否处于单纵模运转的条件下，对于二型的腔内参量来说，单纵模运转需要满足辐射的垂直偏振光子和水平偏振光子的频率簇间隔要大于晶体的自发辐射增益半宽，具体的，垂直偏振光子和水平偏振光子的簇频率间隔定义为：
[0056]
[0057] 晶体的自发辐射带宽由以下相位匹配函数决定：
[0058] sin c2(Δkl/2) (4)
[0059] 假设相位匹配函数的半高全宽为ΔΩ，紧凑型单晶体薄腔满足：
[0060] ΔΩc＞ΔΩ (5)
[0061] 其中Δk为相位失配，且Δk＝kp-ks-ki+2π/Λ，其中kp、ks、ki分别表示泵浦光、垂直偏振光子、水平偏振光子的波矢，FSRs和FSRi分别表示信号光子和闲频光子的自由光谱程，kp、ks、ki均符合公式kb＝2πnb/λb(b＝p,s,i)，其中nb为对应光的折射率，λb为对应光的波长，Λ为单晶体的极化周期。泵浦光和信号光子沿晶体光轴的y轴运动，闲频光子沿晶体光轴的Z轴运动，晶体光轴的y轴为晶体的长度方向，Z轴为晶体放置后的高度方向。在本实用新型实例中，信号光子和闲频光子的频率簇间隔为1075.1GHz,大于晶体的自发辐射带宽914GHz,因此可以满足单纵模运转条件。
[0062] 该方案由于采用很薄的非线性晶体单腔结构，具有体积小操控简单，并且通过选择合适的腔长和镀膜参数可以自由的设计所需要的光子线宽。此外该设计方案的核心是自发参量光子的频率簇的间距要大于晶体自发辐射的增益线宽，从而可以保证单纵模输出。本方案具有体积小，操作简单，谱亮度高，纠缠
质量高，光子线宽可自由设计，适合诸多量子信息技术相关应用。
[0063] 实施例2
[0064] 如图1所示，一种运用实施例1所述的紧凑型单晶体薄腔的纠缠光子源系统，该系统包括在光路上依次设置的泵浦光激光器Laser、第一光片组件、双色镜DM、第二光片组件、分光传输组件、两个不等臂光纤干涉仪、符合计数组件。
[0065] 其中泵浦光激光器Laser用于发出设定波长的泵浦光，输出激光线宽<10MHz；从而确保窄线宽，在该实施例中，选取波长为780nm的泵浦光。
[0066] 第一光片组件用于调节泵浦光的偏振和缩小光斑直径；所述第一光片组件依次设置在光路上的波片单元和第一透镜单元。具体的，第一光片组件包括在光路上依次设置的半波片HWP1和四分之一波片QWP，将泵浦光调节到水平偏振状态，从而满足周期性极化磷酸氢氧钾PPKTP的自发参量下转换过程。第一透镜单元包括依次设置的第一透镜L1和第二透镜L2，第一透镜L1和第二透镜L2均为780nm的透镜。780nm的泵浦光经过波片单元调成水平偏振后，然后依次经过第一透镜L1和第二透镜L2的作用缩小光斑直径到设定大小。
[0067] 双色镜DM将调节后的泵浦光输入到紧凑型单晶体薄腔内，在对腔进行表征时，反向输入腔的检测激光从腔内透射后，再从双色镜DM透射被快速探头探测。
[0068] 所述紧凑型单晶体薄腔设置在双色镜DM和第二光片组件之间的光路上，紧凑型单晶体薄腔产生第一波长光束，在该实施例中第一波长为1560nm。由于紧凑型单晶体薄腔的共振作用，泵浦激光在紧凑型单晶体薄腔中产生自发参量下转换生成波长为1560nm的垂直偏振光子和水平偏振光子的光子对，产生的光子对在腔内来回反射，实现共振增强输出。
[0069] 第二光片组件包括依次设置在光路上的第三透镜L3和第四透镜L4，用于将输出的光子对整合到设定的光斑大小，从而可以高效的耦合进后续的单模光纤SMF中。
[0070] 分光传输组件用于滤除泵浦激光并且将偏振正交的光子对分成垂直偏振光子和水平偏振光子输出；具体的，分光传输组件包括分光传输组件包括在光路上依次设置的第二透镜单元、长通滤波器LPF、偏振分束器PBS，还包括相应设置在经偏振分束器PBS分出的两束光路上的第一光纤准直器FC1和第二光纤准直器FC2，所述第一光纤准直器FC1和第二光纤准直器FC2用于将整形后的光子对进行有效的收集，即经过第一光纤准直器FC1和第二光纤准直器FC2输出到相应的单模光纤SMF中，用于后续的干涉和测量表征。由于紧凑型单晶体薄腔的镀膜只允许后端输出参量光子，与紧凑型单晶体薄腔谐振的偏振正交的光子从后端输出后，经过长通滤波器LPF把波长为780nm的泵浦光滤除，然后再经过偏振分束器PBS分开。
[0071] 两个不等臂光纤干涉仪分别为第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2。所述符合计数组件包括2个分别对应接收第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2输出端光子信号的超导单光子探测器SNSPD，2个超导单光子探测器SNSPD的输出光子输入到符合计数仪&中。2个超导单光子探测器SNSPD分别为第一超导单光子探测器SNSPD1和第二超导单光子探测器SNSPD2。符合计数组件对第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2输出的双光子进行时间能量纠缠测量分析。所述第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2用于产生的窄线宽光子对的双光子Franson干涉测量，产生的水平偏振光子和垂直偏振光子分别经过两个臂差延迟一样的第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2，这样在双光子符合的时间窗口上进行后选择，在中间窗口上进行符合测量，当一对光子同时走第一不等臂光纤干涉仪UMI1和第二不等臂光纤干涉仪UMI2的短臂和长臂的时间延迟一致，在符合窗口内不可区分，因此产生的双光子时间能量纠缠态可以写成
[0072] 为了高效率的收集产生的光子对，需要先用光子波段的激光进行谐振腔的特性的表征和测量，与此同时需要通过二型的腔内倍频确定入射的泵浦激光的方向。具体的，如图2所示，系统包括校正组件，所述校正组件包括快速探头PD、示波器OSC、检测激光器，还包括依次设置的泵浦光激光器Laser、第一光片组件、双色镜DM、第二光片组件、半波片HWP2、偏振分束器PBS，所述紧凑型单晶体薄腔设置在双色镜DM与第二光片组件之间的光路上，所述快速探头PD设置在双色镜DM后端面接收第一波长光束，所述示波器OSC用于接收快速探头PD获取的信号并显示状态，所述检测激光器发出的检测光从分光传输组件的一个输出口反向经过第二光片组件进入到紧凑型单晶体薄腔内。即检测紧凑型单晶体薄腔的性能时，将实施例2中分光传输组件、不等臂光纤干涉仪、符合计数组件去掉，并且将长通滤波器LPF替换成半波片HWP2。半波片HWP2可以实现对水平偏振光子和垂直偏振光子的切换检测，在检测一种光子后，将半波片HWP2转动90度即得到检测另一种光子的状态。所述快速探头PD设置在双色镜DM后端面接收第一波长光束，所述示波器OSC用于接收快速探头PD获取的信号并显示状态，所述检测激光器发出的检测光从反向依次经过单模光纤SMF、第二光纤准直器FC2、第二光片组件进入到紧凑型单晶体薄腔内。即紧凑型单晶体薄腔的参数表征通过反向入射一束波长可调谐的激光，然后通过双色镜DM后的快速探头PD来探测腔的透射谱，并用示波器OSC监视腔的共振状态，从而确定腔在两个偏振方向的光谱自由程和线宽。图3是使用扫描1560nm激光测得的H和V偏振方向的透射谱曲线，通过拟合可以确定腔的光谱自由程和线宽。
[0073] 为了表征所产生的纠缠光源的质量，需要测量纠缠源的以下参数。
[0074] 首先需要测量光子产生率与泵浦功率的关系，如图4所示，在本实例中的光子产生率可以达到2×105。然后需要表征光子的符合计数与暗符合的比值CAR随功率的关系，如图5所示，在本实例中我们发现比值CAR在100mW泵浦时可以达到1400.最后在合适的功率下，需要表征纠缠光子的时间能量纠缠特性，纠缠特性通过测量Franson干涉曲线来刻画，将其中一个不等臂干涉仪固定在相位为0或者π/4下，改变另外一个不等臂干涉仪的相位并且测量复合计数就可获得两组干涉曲线，如图6所示。实验测得在不等臂干涉仪的两组相位下的干涉可见度分别为91.49％和90.80％，这证明产生的光子对具有很好的纠缠特性。
[0075] 以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造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创造的保护范围之内。
