精密的量子波長調諧器的製造方法
2024-02-17 14:57:15 1
精密的量子波長調諧器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及光學波長轉換與調諧領域，具體涉及一種適用於可見波段和近紅外波段的精密量子波長調諧器，其特徵在於：所述調諧器一端為輸入端，另一端為輸出端，所述輸入端至所述輸出端之間的光路中至少連接有第一、第二相干頻率轉換裝置，所述第一相干頻率轉換裝置的輸出端與所述第二相干頻率轉換裝置的輸入端相連接。本實用新型的優點是：信號光波長調諧精度高，能夠保持信號光原有的量子特性。克服了單個相干上轉換或者相干下轉換過程的不能實現信號光波長微調的缺陷，也克服了基於四波混頻量子波長調諧效率不高的缺點，相比而言，本方法轉換效率更高，動態調節範圍更大。
【專利說明】精密的量子波長調諧器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學波長轉換與調諧領域，具體涉及一種適用於可見波段和近紅外波段的精密量子波長調諧器。
【背景技術】
[0002]隨著量子信息科學技術的飛速發展，量子網絡的需求變得極為迫切。由於光子不易損耗和不易消相干的特性，使其在量子信息傳輸中發揮著不可替代的作用。然而在量子網絡中，量子存儲一般採用鹼原子，其所適合的光子波長極為苛刻，一般的單光子光源並不能處在這個波長。為了獲得最優的匹配波長，就迫切地需要一個能夠實現光子態量子波長調諧的器件。這種連續可調的量子頻率轉換器需要滿足以下三個方面:1、在可見於近紅外波段能夠實現任意大小的頻率轉移，從而滿足量子通信中不同量子器件最優的工作波長。
2、頻移後的光子能夠保持原有態的所有量子特性，包括糾纏特性、光子數統計分布、時間關聯等。3、必須能夠實現高的轉換效率，並且在轉換過程中不能引入任何額外的噪聲光子。
[0003]目前，利用的二階非線性效應的和頻或者差頻過程，只滿足後面兩個條件，它只能實現光子態從一個頻率轉移到另一個分隔比較遠的頻率，一般來說都是可見光波段轉換到近紅外波段，或者反之，並不能實現可見光波段或者近紅外波段內的波長轉換和波長調諧。基於三階非線性效應的四波混頻過程，儘管理論上可以滿足以上的三個方面，但是由於高階的非線性效應需要很強的泵浦光強，實驗上很難實現比較高的轉換效率。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是根據上述現有技術的不足，提供了一種精密的量子波長調諧器，該裝置利用的二階非線性效應的和頻或者差頻過程，實現在可見和近紅外波段內信號光波長的微調，並且保持其原有的量子特性。
[0005]本實用新型目的實現由以下技術方案完成:
[0006]一種精密的量子波長調諧器，用以調諧可見波段和近紅外波段的精密量子波長，其特徵在於:所述調諧器一端為輸入端，另一端為輸出端，所述輸入端至所述輸出端之間的光路中至少連接有第一、第二相干頻率轉換裝置，所述第一相干頻率轉換裝置的輸出端與所述第二相干頻率轉換裝置的輸入端相連接。
[0007]所述第一相干頻率轉換裝置為相干頻率上轉換裝置，所述第二相干頻率轉換裝置為相干頻率下轉換裝置。
[0008]所述第一相干頻率轉換裝置為相干頻率下轉換裝置，所述第二相干頻率轉換裝置為相干頻率上轉換裝置。
[0009]所述相干頻率轉換裝置由雙色向鏡、泵浦光、二階非線性晶體、濾波器構成，其中所述雙向色鏡將所述輸入端的信號光與所述泵浦光合束，該合束光經由一透鏡聚焦使其束腰位置處於所述二階非線性晶體中心產生和頻光或差頻光，再經一透鏡連接至所述濾波器。[0010]所述輸入端為光纖輸入，所述相干頻率轉換裝置由波分復用器、泵浦光、二階非線性晶體、濾波器構成，其中所述波分復用器將所述輸入端的信號光與所述泵浦光合束，該合束光經由一透鏡聚焦使其束腰位置處於所述二階非線性晶體中心產生和頻光或差頻光，再經一透鏡連接至所述濾波器。
[0011]本實用新型的優點是:信號光波長調諧精度高，能夠保持信號光原有的量子特性。克服了單個相干上轉換或者相干下轉換過程的不能實現信號光波長微調的缺陷，也克服了基於四波混頻量子波長調諧效率不高的缺點，相比而言，本方法轉換效率更高，動態調節範圍更大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的裝置結構示意圖；
[0013]圖2為本實用新型原理示意圖。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖通過實施例對本實用新型特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解:
[0015]如圖1-2所示，圖中標記1-16分別為:輸入端1、雙色向鏡2、泵浦光3、透鏡4、二階非線性晶體5、透鏡6、濾波器7、雙色向鏡8、泵浦光9、透鏡10、二階非線性晶體11、透鏡
12、濾波器13、輸出端14、相干頻率轉換裝置15、相干頻率轉換裝置16。
[0016]實施例:如圖1所示，本實施例中的量子波長調諧器一端為輸入端1，另一端為輸出端14，輸入端I與輸出端14之間的光路上設置有相干頻率轉換裝置15以及相干頻率轉換裝置16，相干頻率轉換裝置15的輸入端與輸入端I相連，輸出端與相干頻率轉換裝置16的輸入端相連，相干頻率轉換裝置16的輸出端與輸出端14相連；當可見光波段或者近紅外波段內的量子光波經由輸入端I依次經過相干頻率轉換裝置15、16至輸出端14後，在保持原有量子特性的同時，實現可見光波段或者近紅外波段內的波長調諧。
[0017]相干頻率轉換裝置15與相干頻率轉換裝置16的結構組成相同，但本實施例中相干頻率轉換裝置15為相干頻率上轉換裝置用以先對輸入端I的輸入光進行頻率上轉換，相干頻率轉換裝置16為下轉換裝置用以對相干頻率轉換裝置15的輸出光進行頻率下轉換。
[0018]相干頻率轉換裝置15包括雙色向鏡2、泵浦光3、透鏡4、二階非線性晶體5、透鏡
6、濾波器7。雙色向鏡2將由輸入端I輸入的量子光波與泵浦光3進行合束,輸入端I的輸入光和泵浦光3需要光束的空間匹配，即使泵浦光3的光斑比輸入光的光斑略大一點，這樣泵浦光3既可以覆蓋整個信號光光斑，又能獲得儘可能高的光強，從而提高轉換效率。輸入光與泵浦光3的合束光經由透鏡4聚焦於二階非線性晶體5，透鏡4的焦距選擇需要權衡二階非線性晶體5長寬高的三維參數，合束光在二階非線性晶體5中通過和頻作用產生和頻光。其中，取決於非線性晶體相位匹配的方式(角度匹配、溫度匹配或者準相位匹配)不同，可能需要對晶體的擺放角度、工作溫度、極化周期等進行相應的選擇和控制。和頻光通過透鏡6準直成為平行光，其中透鏡6的物方焦點處在二階非線性晶體5的中心位置。為了去除泵浦光和其他雜散光，和頻光在通過透鏡6之後再通過濾波器7，濾波器7可以配合多中濾波方式，如色散分光(稜鏡或光柵)、空間濾波器、頻譜濾波器等。[0019]相干頻率轉換裝置16包括雙色向鏡8、泵浦光9、透鏡10、二階非線性晶體11、透鏡12、濾波器13。雙色向鏡2將由濾波器7輸出的和頻光與泵浦光9進行合束。該合束光經由透鏡10聚焦於二階非線性晶體11，利用非線性差頻過程產生差頻光，其中，下轉換過程也需要信號光和泵浦光9空間光斑的匹配。然後，差頻光通過透鏡12，準直成平行光。然後通過相應波段的濾波器13，去除其他波段的噪聲光子，最後至輸出端14輸出。通過調諧泵浦光3或者是泵浦光9的中心波長，就可以獲得輸入光中心波長的精密調諧。
[0020]本實施例在具體實施時:如圖2所示，相干頻率轉換裝置15採用相干頻率上轉換技術，先對輸入的信號進行頻率上轉換。在中心頻率為ωρ?的泵浦光3的作用下，信號光從頻率ω?相干的上轉換到ω2,在轉換過程中滿足能量守恆定律:ω 1+ωΡ1=ω2。相干上轉換技術，保持了輸入光所有的相干信息和量子特性。
[0021]相干頻率轉換裝置16採用相干頻率下轉換技術，對相干頻率轉換裝置15產生的頻率為ω 2的光進行頻率下轉換操作。在中心頻率為ωρ2的泵浦光9的作用下，輸入光從頻率《2相干的下轉換到ω3，在轉換過程中滿足能量守恆定律:ω2_ωΡ2=ω3。相干下轉換技術，保持了輸入光所有的相干信息和量子特性。在下轉換過程中，由於泵浦光9的頻率ωΡ2比輸入光的頻率ω2要小，因此光子能量相對也小，從而抑制強泵浦場的自發參量下轉換的噪聲光子，最終獲得近似無噪聲的相干頻率下轉換。
[0022]頻率為ω I初始輸入信號，在經過以上兩個相干頻率轉換過程之後，最終的輸入頻率為ω3。而且,利用能量守恆定律可以看出，Λ = ω3_ω 1=ωΡ1-ωΡ2。這樣就可以通過控制兩個泵浦光的頻率間隔來調節信號光頻移的大小。通過精密的調諧泵浦光3或泵浦光9中一個的波長，就可以實現輸入光信號的精密量子波長調諧。為了減小相干上轉換或者下轉換過程中的強泵浦場引致的背景噪聲，可以採用長波長泵浦的方案。
[0023]一般來說，利 用先上轉換後下轉換的級聯轉換過程適合於輸入波長為紅外波段。當然，也可以先下轉換後上轉換的級聯轉換過程，如此信號光頻移的大小為Δ = ω3-ω1=ωΡ2-ωΡ10採用這種順序的級聯相干頻率轉換過程適合於輸入波長為可見波段。
[0024]輸入端I採用的光纖輸入的話，雙色向鏡也可以用波分復用器(WDM)予以替代。
[0025]本調諧器的最大特點和優點是信號光波長調諧精度高，能夠保持信號光原有的量子特性。克服了單個相干上轉換或者相干下轉換過程的不能實現信號光波長微調的缺陷，也克服了基於四波混頻量子波長調諧效率不高的缺點，相比而言，本調諧器轉換效率更高，調節動態範圍更大。
【權利要求】
1.一種精密的量子波長調諧器，用以調諧可見波段和近紅外波段的精密量子波長，其特徵在於:所述調諧器一端為輸入端，另一端為輸出端，所述輸入端至所述輸出端之間的光路中至少連接有第一、第二相干頻率轉換裝置，所述第一相干頻率轉換裝置的輸出端與所述第二相干頻率轉換裝置的輸入端相連接。
2.根據權利要求1所述的一種精密的量子波長調諧器，其特徵在於:所述第一相干頻率轉換裝置為相干頻率上轉換裝置，所述第二相干頻率轉換裝置為相干頻率下轉換裝置。
3.根據權利要求1所述的一種精密的量子波長調諧器，其特徵在於:所述第一相干頻率轉換裝置為相干頻率下轉換裝置，所述第二相干頻率轉換裝置為相干頻率上轉換裝置。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種精密的量子波長調諧器，其特徵在於:所述相干頻率轉換裝置由雙色向鏡、泵浦光、二階非線性晶體、濾波器構成，其中所述雙向色鏡將所述輸入端的信號光與所述泵浦光合束，該合束光經由一透鏡聚焦使其束腰位置處於所述二階非線性晶體中心產生和頻光或差頻光，再經一透鏡連接至所述濾波器。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種精密的量子波長調諧器，其特徵在於:所述輸入端為光纖輸入，所述相干頻率轉換裝置由波分復用器、泵浦光、二階非線性晶體、濾波器構成，其中所述波分復用器將所述輸入端的信號光與所述泵浦光合束，該合束光經由一透鏡聚焦使其束腰位置處於所述二階非線性晶體中心產生和頻光或差頻光，再經一透鏡連接至所述濾波器。
【文檔編號】G02F1/35GK203595881SQ201320781505
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】周茜, 黃坤, 湯瑞凱, 李雄傑, 杜海彬, 史學舜, 武愕, 潘海峰, 丁晶新 申請人:華東師範大學