基于非线性波导的偏振纠缠态光源

发布时间：2020-04-09 18:18

【摘要】：近年来,对于量子科学信息科学的研究正在蓬勃的开展,而基于光学的量子信息处理,需要高质量的纠缠态光源。集成光波导将光路从复杂的线性光路中脱离,将功能集成,使得光器件小型化,使光波更容易控制。本文就是设计一个将偏振纠缠光源的产生以及光子对的分离集成一起的光波导芯片,可以实现集成化,高稳定性、高光子产生效率以及高纠缠度的偏振纠缠态光源。本文首先从非线性光学的原理出发,比较不同的方式产生纠缠光源的优劣,引出本文所用到二阶非线性效应的自发参量下转换来产生光子对。介绍对自发参量下转换分析进行分析的双光子光谱理论以及对光波导仿真分析所用的数值方法,包括有效折射率法,光束传播法等。这些理论分析将为光波导器件的仿真分析设计以及实验提供相应的指导。然后设计波导结构,分别为Y分支部分,周期极化铌酸锂部分以及3dB耦合器部分,可实现片上光源的产生及光子对的分离。基于有效折射率法,本文确定了脊波导传播的单模条件,确定了脊波导的结构参数以及有效折射率,进而确定周期性极化铌酸锂的极化周期。通过双光子联合光谱理论对双光子的特性进行分析,比较泵浦光的频宽以及PPLN波导长度对双光子特性的影响,从而确定合适的泵浦光以及极化周期波导长度。同时,通过光束传播法模拟光场在波导中的传播,对Y分支以及3dB耦合器进行设计仿真,确定两个器件的设计参数。本文设计的SPDC光源有较高的量子干涉可见度,设计的3 dB耦合器能够对光子对进行分离。最后,搭建实验光路,对周期极化铌酸锂波导初样以及3 dB耦合器波导初样进行实验测量,该实验是未来测试集成化的波导的前期准备。通过实验,I型自发参量下转换周期极化脊波导的位相匹配波长为783.23 nm,在泵浦功率为351μW时样品波导产生的光子对的CAR达到最大,为48.97,此时光子对的产生效率为6.19?10~(-6)pair/pump photon。具有较高的光子对产生效率。对3 dB耦合器进行实验测量,TE和TM模式的反射率分别为51.4%,52.7%,接近50:50,光子对从分束器的A、B两个端口分开的概率为0.998318。本文设计的光波导可以为今后的实验提供指导和参考。
【图文】：

示意图,团队,BBO晶体,I型

Titanyl Phosphate, PPKTP）晶体。PPLN 以及 PPKTP 具备很而且光场传播的损耗很低，能产生高质量以及高光子对产生。早期的采用离子交换的 PPLN 波导只支持单一模式（TM输。它虽然可以利用最大的二阶非线性系数来产生双光子，的偏振，无法直接产生偏振纠缠态。2006 年左右发展的钛4 年左右发展的 PPKTP 波导可以同时支持 TE 和 TM 偏振，态。但是这一类波导或受偏振影响或模场尺寸较大，最近，材料得到广泛的发展，由于其高效率和低损耗且模式尺寸小主要介绍国内外的研究团队对纠缠光源波导的研究现状。研究概况，来自德国和奥地利 Paul G. Kwiat 团队利用偏硼酸钡（BO）晶体在 II 型自发参量下转换的位相匹配条件下产生纠缠见度达到 97%[17]。

示意图,团队,法国,示意图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1999 年，，该团队利用两块 I 型 BBO 晶体实现高亮度的纠缠态光源，实验装如图 1-1 所示，利用两块 I 型 BBO 晶体，其光轴方向彼此垂直。这种高亮度的缠光源对于卫星间的量子加密通信以及量子隐形传输等应用有很大的优势[18]。2007 年加拿大多伦多大学的 Xiongfeng Ma 以及 Hoi-Kwong Lo 等人通过真在 144 km 光纤中纠缠 PDC、触发 PDC 以及相干态三种方式的量子秘钥分（QKD），发现参量下转换产生的纠缠光子对具有对信道损耗的容忍度更高的特可以更好的完成量子保密通信[19]。2009 年，来自法国的 A.Martin，P.Aboussouan 等人提出了一种新的偏振纠光子对光源的实现方法[20]，过程如图 1-2 所示，655 nm 的 CW 激光器通过集成钛扩散铌酸锂波导上的周期性极化铌酸锂，产生波长为波长在 1310nm 的光子对带宽为 0.7nm。可见度为 85％。光源亮度约为 105pairs-1GHz-1mW-1。并证明该源具有长距离量子通信的高潜力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O431.2;TN252

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