基于光學(xué)超晶格和波導(dǎo)光路的量子光源芯片的制作方法
【專利摘要】一種基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，采用波導(dǎo)光路和光學(xué)超晶格、電光調(diào)制器的集成，波導(dǎo)光路通過波導(dǎo)分束器將進(jìn)入的經(jīng)典抽運(yùn)激光分束，分束后的激光進(jìn)入光學(xué)超晶格區(qū)域進(jìn)行頻率下轉(zhuǎn)到得到糾纏光子對，糾纏光子對隨后繼續(xù)進(jìn)入干涉儀進(jìn)行量子干涉；干涉儀的相位由芯片上內(nèi)置的電光調(diào)制器來控制，通過電壓調(diào)節(jié)得到幾種不同的量子態(tài)。
【專利說明】基于光學(xué)超晶格和波導(dǎo)光路的量子光源芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及量子信息技術(shù)、光電子技術(shù)和非線性光學(xué)領(lǐng)域，尤其是用集成光學(xué)技 術(shù)和思路來實(shí)現(xiàn)芯片化的量子光源。

【背景技術(shù)】
[0002] 糾纏是量子通信、量子計(jì)算等量子信息技術(shù)中的核心資源。所以如何制備糾纏光 源，特別是可調(diào)控、高效、穩(wěn)定、便攜的糾纏光源一直是量子信息領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。歷 史上產(chǎn)生糾纏光子對的方法有：（1)原子級聯(lián)躍遷[1];(2)原子系統(tǒng)中的四波混頻過程
[2] ; (3)硅基[3, 4]或光纖中[5, 6]的四波混頻過程；(4)二階非線性晶體中的光學(xué)參量 下轉(zhuǎn)換過程[7, 8]。其中原子級聯(lián)躍遷過程在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)初期被采用，后來因?yàn)槠洚a(chǎn)生 的態(tài)不夠理想而被放棄?，F(xiàn)在人們多采用后面三種方案，而其中基于非線性晶體的二階參 量過程由于其產(chǎn)率高、裝置簡單成當(dāng)前產(chǎn)生糾纏光子對最普遍的方法。在二階非線性晶體 中，一個(gè)高頻抽運(yùn)光子會(huì)劈裂為一對低頻的下轉(zhuǎn)換光子，分別稱為信號光子和閑置光子，也 稱糾纏光子對。該過程需要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒條件。按照動(dòng)量守恒的實(shí)現(xiàn)條件來 分，產(chǎn)生糾纏光子對的非線性晶體分為兩類，一類是均勻的雙折射晶體，另一種是光學(xué)超晶 格。光學(xué)超晶格就是鈮酸鋰、鉭酸鋰等疇結(jié)構(gòu)受到調(diào)制的人工非線性晶體，因?yàn)榭梢岳盟?的較大非線性系數(shù)，所以它可以產(chǎn)生高亮度的糾纏光子對[9-12]。特別是，加工成波導(dǎo)之后 可以進(jìn)一步提商廣生效率[13, 14]。
[0003] 但是無論是雙折射晶體、光學(xué)超晶格體塊材料還是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一塊晶體往往只能 產(chǎn)生一種糾纏光源，而且在非線性晶體前后往往需要很多其他的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)對泵浦 光以及產(chǎn)生光子對的處理和收集等，導(dǎo)致糾纏光源產(chǎn)生光路一般都較為復(fù)雜、龐大、不易穩(wěn) 定、不具有很好的功能擴(kuò)展能力。
[0004] 參考資料：
[0005] 1.A.Aspect,P.Grangier,andG.Roger,Phys.Rev.Let. 49, 91 (1982).
[0006] 2.V.Balic,D.A.Braje,P.Kolchin,G.Y.Yin,andS.E.Harris,Phys.Rev. Lett. 94, 183601(2005).
[0007] 3.H.Takesue,Y.Tokura,H.Fukuda,T.Tsuchizawa,T.ffatanabe,K.Yamada,and S.Itabashi,Appl.Phys.Lett. 91, 201108, (2007).
[0008] 4J.E.Sharping,K.F.Lee,M.A.Foster,A.C.Turner,B.S.Schmidt,M.Lipson,A. L.Gaeta,andP.Kumar,Opt.Exp. 14, 12388, (2006).
[0009] 5. J. E. Sharping,M.Fiorentino,andP.Kumar,Opt.Lett. 26, 367 - 369 (2001).
[0010] 6. X. Li,P.L.Voss,J.E.Sharping,andP.Kumar, Phys. Rev. Lett. 94, 53601(2005).
[0011] 7. Y. H. ShihandC. 0.Alley,Phys.Rev.Lett. 61, 2921 (1988).
[0012] 8. Z. Y. OuandL.Mandel,Phys.Rev.Lett. 61, 50 (1988).
[0013] 9.C.E.Kuklewicz,M.Fiorentino,G.Messin,F.N.C.Wong,and J.H.Shapiro,Phys.Rev.A69, 13807 (2004).
[0014] 10.V.Giovannetti,L.Maccone,J.H.Shapiro,andF.N.C.Wong,Phys.Rev. Lett. 88, 183602(2002).
[0015] 11.M.C.Booth,M.Atatiire,G.DiGiuseppe,B.E.A.Saleh,A.V.Sergienko,and M.C.Teich,Phys.Rev.A66, 023815 (2002).
[0016] 12.X.Q.Yu,P.Xu,Z.D.Xie,J.F.Wang,H.Y.Leng,J.S.Zhao,S.N.Zhu,N. B.Ming,PhysRev.Lett. 101, 233601 (2008).
[0017] 13.S.Tanzilli,H.DeRiedmatten,H.Tittel,H.Zbinden,P.Baldi,M.De Micheli,D.B.Ostrowsky,andN.Gisin,Electron.Lett. 37, 26 (2001).
[0018] 14.K.Sanaka,K.Kawahara,andT.Kuga,Phys.Rev.Lett. 86, 5620 (2001).
[0019] 15.A.Kanno,T.Sakamoto,A.Chiba,T.Kawanishi,K.Higuma,M.Sudou,and J.Ichikawa,IEICEElectron.Express7,817 (2010).


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明目的是解決上面所提到的問題，提供一種基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源 芯片的設(shè)置方法及提供一種芯片化的糾纏光源，利用集成光學(xué)的思路和技術(shù)來提升糾纏光 源的擴(kuò)展性、集成度、穩(wěn)定性、便攜性等。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，采 用波導(dǎo)光路和光學(xué)超晶格、電光調(diào)制器的集成，波導(dǎo)光路通過波導(dǎo)分束器將進(jìn)入的激光進(jìn) 行分束，分束后的激光進(jìn)入光學(xué)超晶格區(qū)域進(jìn)行頻率下轉(zhuǎn)到得到糾纏光子對，糾纏光子對 隨后繼續(xù)進(jìn)入干涉儀進(jìn)行量子干涉。干涉儀的相位由芯片上內(nèi)置的電光調(diào)制器來控制，通 過電壓調(diào)節(jié)得到幾種不同的量子態(tài)。
[0022] 本發(fā)明的主要內(nèi)容是以鈮酸鋰等鐵電材料為基質(zhì)材料進(jìn)行波導(dǎo)加工并對部分區(qū) 域進(jìn)行極化，使得該芯片同時(shí)實(shí)現(xiàn)糾纏光子的產(chǎn)生和干涉，將輸入的經(jīng)典光光轉(zhuǎn)化為可 調(diào)控的量子態(tài)，不同的量子態(tài)通過集成在芯片上的電光調(diào)制器完成；整個(gè)芯片依次分為 三個(gè)區(qū)域，區(qū)域I是對經(jīng)典激光的處理，主要是對抽運(yùn)光（經(jīng)典激光）的分束和相位調(diào) 制，區(qū)域II是非線性區(qū)，上下兩路中的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)將抽運(yùn)光轉(zhuǎn)化為簡并的糾纏光子 對；光子對從上路或下路產(chǎn)生，組成一個(gè)路徑聚束態(tài)

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其特征是采用波導(dǎo)光路和光 學(xué)超晶格、電光調(diào)制器的集成，波導(dǎo)光路通過波導(dǎo)分束器將進(jìn)入的經(jīng)典抽運(yùn)激光分束，分束 后的激光進(jìn)入光學(xué)超晶格區(qū)域進(jìn)行頻率下轉(zhuǎn)到得到糾纏光子對，糾纏光子對隨后繼續(xù)進(jìn)入 干涉儀進(jìn)行量子干涉；干涉儀的相位由芯片上內(nèi)置的電光調(diào)制器來控制，通過電壓調(diào)節(jié)得 到幾種不同的量子態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其特征是 在鈮酸鋰等鐵電材料為基質(zhì)材料的單片晶體上加工出波導(dǎo)干涉光路并對部分區(qū)域進(jìn)行疇 反轉(zhuǎn)；整個(gè)芯片依次分為三個(gè)區(qū)域，區(qū)域I是對經(jīng)典激光的處理，對抽運(yùn)光的分束和相位調(diào) 制，區(qū)域II是疇反轉(zhuǎn)區(qū)，也稱非線性區(qū)，可以將上下兩路抽運(yùn)光轉(zhuǎn)化為簡并的糾纏光子對， 光子對從上光路或下光路產(chǎn)生，組成一個(gè)路徑聚束態(tài)+ 區(qū)域III是對 糾纏光子的處理，在波導(dǎo)分束器上實(shí)現(xiàn)糾纏光子的Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉。如果II區(qū) 域產(chǎn)生的路徑聚束態(tài)中上下兩光路相位相同，那么該聚束態(tài)經(jīng)由HOM干涉后得到分離態(tài)，
濾波單元，糾纏光子通過倏逝波耦合到更外側(cè)的兩根波導(dǎo)，泵浦光保留到原來波導(dǎo)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其特征 是在Z-切鈮酸鋰基片上制備波導(dǎo)光路、非線性區(qū)的周期極化區(qū)域和對糾纏光子的處理干 涉區(qū)；設(shè)有光纖（2)將抽運(yùn)激光輸入波導(dǎo)光路的第一波導(dǎo)（3);然后經(jīng)波導(dǎo)Y-分束器分別 輸入第二與第三波導(dǎo)（4、5);第一至第三波導(dǎo)都是針對抽運(yùn)激光波長的波導(dǎo)；第二第三波 導(dǎo)的夾角小于1° ;之后設(shè)有第一與第二過渡波導(dǎo)分別將第一與第二抽運(yùn)光波導(dǎo)的光轉(zhuǎn)換 到參量光波長的第一與第二單模波導(dǎo)（13、14);在第一與第二抽運(yùn)光波導(dǎo)（6、7)上有三個(gè) 電極（8、9、10)，用來調(diào)節(jié)兩路泵浦光之間的相位差；第四與第五波導(dǎo)（13、14)所在區(qū)域是 周期極化區(qū)域，將抽運(yùn)光轉(zhuǎn)化為糾纏光子對；之后光子對到達(dá)波導(dǎo)分束器進(jìn)行干涉，波導(dǎo)分 束器中第一與第二平行波導(dǎo)（16、17)的間隔和長度設(shè)計(jì)為半個(gè)耦合長度；干涉后的路徑糾 纏光子對在第六與第七波導(dǎo)（32、33)中，第六與第七波導(dǎo)分別連接拐彎波導(dǎo)和直波導(dǎo)；第 六與第七波導(dǎo)后面分別級聯(lián)了一個(gè)波導(dǎo)濾波器，濾波器中的第一與第二平行波導(dǎo)區(qū)（18和 22)使得參量光子從第六波導(dǎo)（32)轉(zhuǎn)移拐彎波導(dǎo)（34)進(jìn)而到直波導(dǎo)（24)中，平行波導(dǎo)（19 和23)使得參量光子從第七波導(dǎo)33轉(zhuǎn)移到拐彎波導(dǎo)（35)進(jìn)而到直波導(dǎo)（25)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其 特征是在波導(dǎo)光路中設(shè)置光學(xué)超晶格區(qū)域，所述光學(xué)超晶格包含一維周期結(jié)構(gòu)、非周期結(jié) 構(gòu)、啁啾結(jié)構(gòu)等所有一維極化序列以及其他可能的二維序列，光學(xué)超晶格區(qū)域發(fā)生的參量 下轉(zhuǎn)換過程包括簡并和非簡并兩種情形，產(chǎn)生糾纏光子；波導(dǎo)干涉儀能夠?qū)Ξa(chǎn)生的糾纏光 子進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過干涉等方法得到多種量子態(tài)，波導(dǎo)干涉儀包括Hong-Ou-Mandel干 涉儀、Mach-Zehnder干涉儀、Michelson干涉儀或Franson干涉儀等以及由這些基本干涉儀 組成的復(fù)雜光路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其 特征是加工波導(dǎo)光路的方法包括質(zhì)子交換方法、鈦擴(kuò)散方法以及機(jī)械加工方法。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其 特征是基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片上通過電光效應(yīng)來控制光子相位，電光效應(yīng)可 以施加在芯片內(nèi)其他等效區(qū)域；電壓施加采用推挽結(jié)構(gòu)，在一路上增加相位的同時(shí)另一路 等量減小。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯片的設(shè)置方法，其 特征是波導(dǎo)材料包括可以進(jìn)行極化的鈮酸鋰材料、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等鐵電材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的設(shè)置方法得到的基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的量子光源芯 片。
【文檔編號】G02F1/35GK104330938SQ201410551173
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】徐平, 金華, 祝世寧 申請人:南京大學(xué)