[发明专利]一种高效率的纠缠源产生装置及制备方法

说明书

本发明提出一种新的纠缠源产生装置及制备方法，其中通过利用周期极化铌酸锂薄膜脊型波导实现自发参量下转换过程，并借助单模光纤实现对纠缠源的收集，使得允许在自发参量下转换过程中输出与单模光纤相匹配的基模模式，并借助空间光路以模式匹配的方式将纠缠源耦合到单模光纤中，从而凭借极高的单模耦合效率，实现高效率、高亮度和高品质的纠缠源。同时，在本发明所提出的经光纤/波导‑空间‑光纤耦合方式制备纠缠源的方案中，还允许以简单、成熟的方式实现高的耦合、干涉及滤波效率，进一步提高纠缠源的品质。

技术领域

本发明涉及量子光学和量子信息领域，尤其涉及一种高效率的纠缠源产生装置及制备方法。

背景技术

光学体系的双光子纠缠态的产生一般基于非线性晶体、波导或光纤中的非线性效应，通过自发参量等过程产生关联光子对并进一步干涉产生纠缠。基于非线性晶体自发参量转换过程制备纠缠源是比较常用的制备方式，且晶体通常使用BBO晶体、周期极化晶体如周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)、周期极化铌酸锂(PPLN)晶体等。

非线性晶体中的自发参量下转换(SPDC)过程产生纠缠光子对是最成熟的方法，SPDC是强泵浦光在非线性介质中与量子真空噪声导致的自发辐射进行参量震荡所产生的，SPDC即一个高频抽运光子以某一概率自发地分裂为一对低频的下转换光子——信号光子、闲频光子。后来出现了利用PPKTP(周期极化KTiOPO4)、PPLN(周期极化LiNbO3)等周期极化的非线性晶体和准相位匹配技术产生纠缠光子对，准相位匹配(QPM)技术是一种通过对光学晶体非线性极化率进行周期性调制来补偿由于折射率色散所造成的光波之间相位失配的技术。目前比较新的方案是利用SPDC和QPM技术结合干涉环(Sagnac干涉仪、MZ干涉仪等)制备量子纠缠态。

然而，目前的纠缠源制备方案或是采用纯光纤光路结构，或者采用晶体的纯空间光路结构来实现。发明人通过研究发现，目前的纠缠源制备方案中，其整体制备效率仍然存在提升空间，例如：在纯光纤光路结构下，其耦合、干涉及滤波效率均受到限制，处于较低水平，从而导致整体制备效率不高；在采用晶体的纯空间光路结构下，其在纠缠源收集效率方面存在限制，导致整体制备效率不高。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种新的纠缠源产生装置及制备方法，其中通过利用周期极化铌酸锂薄膜脊型波导实现自发参量下转换过程，并借助单模光纤实现对纠缠源的收集，使得允许在自发参量下转换过程中输出与单模光纤相匹配的基模模式，并借助空间光路以模式匹配的方式将纠缠源耦合到单模光纤中，从而凭借极高的单模耦合效率，实现高效率、高亮度和高品质的纠缠源。同时，在本发明所提出的经光纤/波导-空间-光纤耦合方式制备纠缠源的方案中，还允许以简单、成熟的方式实现高的耦合、干涉及滤波效率，进一步提高纠缠源的品质。

本发明的第一方面涉及一种纠缠源产生装置，其包括抽运光源、分光模块、第一和第二关联光子对生成光路、干涉模块、以及收集模块；其中，

所述抽运光源用于产生抽运光；

所述分光模块被设置用于将所述抽运光分成第一抽运光分量和第二抽运光分量；

所述第一和第二关联光子对生成光路分别被设置用于使所述第一和第二抽运光分量在PPLN薄膜脊型波导中发生II型自发参量下转换以生成第一和第二关联光子对，且所述第一和第二关联光子对同时到达所述干涉模块；

所述干涉模块被设置用于允许所述第一和第二关联光子对发生干涉作用，生成第一和第二纠缠光子对；

所述收集模块被设置用于借助单模光纤收集所述纠缠光子对。

进一步地，所述分光模块包括第一偏振分束器，或者包括分束器和偏振控制元件；以及/或者，所述干涉模块包括第二偏振分束器。