全光纤窄带宽单光子源制造技术

全光纤窄带宽单光子源。包括：光纤激光器、带通滤波器、零色散位移光纤或微结构光纤、光纤偏振控制器ＦＰＣ、光纤偏振分束器ＦＰＢＳ、滤波器、单光子探测器、单光子输出端。本发明专利技术的关键在于采用带宽为大约为１纳米的传输极限的泵浦脉冲，在于使信号光和闲置光波段的滤波器的频谱和泵浦光的相匹配，使得带宽小于１纳米的单光子光源的宣布效率大约为０．８。而且由于本发明专利技术所提出的系统可以采用重复频率大于４０ＧＨｚ的脉冲激光器做为泵浦源，因此所产生单光子的重复频率可大于３ＧＨｚ。该单光子源全部由光纤器件构成，为开关式的可集成光量子器件，可广泛应用于量子密钥分配，量子逻辑门及量子纠缠态的实现等量子信息处理中。全部器件可集成在一个３Ｕ的标准机盒中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于量子信息处理
，是一种单光子源。
技术介绍
单光子源的定义是在任意时刻都可以发射且只发射一个光子的光源，数学表示为n＝|1>。是实现量子逻辑门、量子密钥分配、纠缠光子对及高精度量子测量等量子信息处理技术的必要工具。尽管人们尝试着采用各种方法来产生这种特殊的光源，但是事实上，现有的或将有的各种各样的可实现的单光子源都和定义的这种理想状态的单光子源有着或多或少的差距。从量子信息处理技术的实用的角度来讲，对于单光子源，人们关心的两个最重要的参数是可响应系统单光子请求而发出单个光子的时间间隔，也就是重复频率；以及响应系统请求而发射单个光子的概率。目前广泛应用于量子密钥分配的单光子是由衰减的激光脉冲模拟的。激光的光子分布服从泊松分布，从一个脉冲中找到n个光子的概率p(n,μ)=μnn!e-μ,]]>其中，μ为每个脉冲包含的平均光子数；从一个脉冲中找到大于一个光子的概率p(n>1,μ)≈μ2;]]>而脉冲中不包含任何光子的概率为p(n＝0，μ)≈1-μ。由于多光子事件会使量子密钥分配的保密性受到影响，因此为了得到近似的单光子源，使得一个脉冲包含两个以上光子的概率远小于只包含一个光子的概率，激光脉冲需衰减到μ≈0.1。但是这种情况下，大部分的脉冲都是不包含光子的，因此数据率很低，而且由于单光子探测器暗计数的存在，每一次探测，即使是对一个不包含任何光子的脉冲的探测都会由于暗计数的存在而引入噪声，因此这种通讯系统信噪比也比较低。一个有效的提高量子通讯数据率和信噪比的方法就是采用更好的单光子源，不仅提高整个系统的重复频率而且提高每个触发脉冲都包含单个光子的概率。途径通常有如下几种1)利用量子点，虽然由量子点产生的单光子已用于演示量子密钥分配实验和产生偏振纠缠的光子对，但是由于这种技术要求低于10k的温度，而且所产生纠缠光子的波长不可调，此外，将这种光子高效地与单模光纤耦合也比较困难。2)利用被囚禁在高精细度腔内的单原子或分子，虽然这种技术原则上来讲可以产生非常接近理想状态的单光子，但单原子与分子的俘获本身就是非常复杂的技术。3)利用基于晶体二阶非线性效应的参量下转换过程的量子关联的光子对，相对来讲，这种方法技术上较简单。描述这种单光子源的关键指标就是宣布效率H，其物理意义是在信号光波段出现一个光子时，孪生光子出现在闲置光波段的概率。然而，由于模式匹配的原因，在将这种光子与单模光纤高效地耦合时，也存在技术上的困难。目前这种单光子源的宣布效率比较低，尤其是带宽小于1纳米时，目前H的值小于0.5。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述方法中的不足，提供一种全光纤窄带宽单光子源，即用脉冲光来泵浦光纤，利用光纤内自发四波混频参量过程而产生的量子关联的光子对中一个光子探测作为触发来宣布其孪生光子存在的方法产生单光子。本专利技术提供了提高单光子源宣布效率的方法，而且提高了一种可与现存光纤通讯网络集成的单光子源。运用于量子信息处理中，可提高系统的数据率和信噪比。该全光纤窄带宽单光子源，依次包括1)光纤激光器用于产生高重复频率、传输极限的激光脉冲；2)带通滤波器消除泵浦激光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子；3)零色散位移光纤或微结构光纤用于产生量子关联的孪生光子对；两个中心频率为ωp的泵浦光子通过零色散位移光纤或微结构光纤的自发四波混频过程同时散射为频率分别为ωs和ωi的信号光与闲置光孪生光子对，其中2ωp＝ωs+ωi，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件；4)光纤偏振控制器FPC用于调整量子关联光子对的偏振方向，使得光子对可通过偏振分束器；5)光纤偏振分束器FPBS用于选择量子关联光子对的偏振，根据位相匹配条件，选择和泵浦光平行或垂直的光子对；6)滤波器频谱和泵浦脉冲匹配的滤波器，用于有效地隔离泵浦光，提取波长位于所选择的信号光ωs和闲置光ωi波段的光子对，使得单光子探测器APD每探测到一个光子，即宣布其孪生光子出现；7)单光子探测器用于探测信号光通道的信号光子，每一个探测事件会产生一个相应的电脉冲，这个电脉冲可用于宣布其位于闲置光通道的孪生光子的存在；8)单光子输出端由闲置光通道向外输出单光子。本专利技术的优点和积极效果本专利技术不仅可以利用高重复频率的光纤激光器泵浦从而提高单光子的重复频率，而且由于在信号光和闲置光波段采用频谱和泵浦脉冲相匹配的滤波器，因而提高了宣布效率，尤其是带宽小于1纳米时。该专利技术和基于晶体的二阶非线性效应参量过程的单光子源相比具有如下优点1)所输出的单光子模式纯净，为高斯模；2)由于光纤的波导特性，作用长度可以很长，因此总的非线性效应比较高，因此对泵浦激光的功率要求比较低；3)光纤之间的耦合不仅效率高而且很容易实现，普通单模光纤的焊接损耗大约为0.01dB，微结构光纤和标准光纤的焊接损耗也小于0.3dB，因此基于光纤的单光子源更便于研究多个光子的相互作用，更便于研究量子逻辑门，更便于与现有光通讯网络集成可广泛应用于量子信息处理技术中。本专利技术的关键在于采用带宽为大约为1纳米的传输极限的泵浦脉冲，在于使信号光和闲置光波段的滤波器的频谱和泵浦光的相匹配，使得带宽小于1纳米的单光子光源的宣布效率大约为0.8。而且由于本专利技术所提出的系统可以采用重复频率大于40GHz的脉冲激光器做为泵浦源，因此所产生单光子的重复频率可大于3GHz。本专利技术光纤激光器所发出的泵浦光脉冲满足传输极限条件，在带宽一定时，脉宽窄，峰值功率高，有利于抑制光纤中自发四波混频过程中的背景噪声。这种窄带宽的全光纤单光子源全部由光纤器件构成，为开关式的可集成光量子器件，可广泛应用于量子密钥分配，量子逻辑门及量子纠缠态的实现等量子信息处理中。全部器件可集成在一个3U的标准机盒中。附图说明图1是本专利技术装置全光纤单光子源结构示意图；图2是测量由光纤产生的光子对频谱关联特性的装置示意图；图3是由图2所示的实验装置所产生的实验结果，即真复合计数与闲置光滤波器中心波长的函数关系图；图4是采用具有高斯频谱和近似矩形频谱的滤波器时，真复合计数和信号光通道光子探测率与闲置光通道总探测效率乘积的函数关系图。具体实施方式实施例1单光子源如图1所示，小体积的高重复频率的光纤激光器，发射传输极限的激光脉冲，在泵浦光纤前经过中心频率为ωp的带通滤波器，以消除泵浦激光中所包含的波长在ωs和ωi波段的光子。量子关联光子对的产生于300-500米零色散波长大约为ωp的零色散位移光纤或10-20米具有高非线性系数且在光通讯波段自发四波混频增益较高的微结构光纤(MF，microstructure fiber)中，光纤的输出经过频谱和泵浦脉冲相匹配的滤波器，高效地选择频率分别为ωs和ωi信号光、闲置光孪生光子对的同时有效地隔离泵浦光，其中2ωp＝ωs+ωi。光纤偏振控制器FPC和光纤偏振分束器FPBS用于选择量子关联光子对的偏振，根据不同的位相匹配条件，可以选择和泵浦光平行的光子对也可以选择和泵浦光垂直的光子对。系统的单光子触发请求为单光子探测器对信号光通道信号光子的探测而产生的电脉冲，闲置光波段矩形滤波器的输出为单光子。该单光子源的宣布效率约为80％，重复频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤窄带宽单光子源，其特征是该装置依次包括：１）光纤激光器：用于产生高重复频率、传输极限的激光脉冲；２）带通滤波器：消除泵浦激光中所包含的波长在ωｓ和ωｉ波段的光子；３）零色散位移光纤或微结构光纤：用于产生量子 关联的孪生光子对；两个中心频率为ωｐ的泵浦光子通过零色散位移光纤或微结构光纤的自发四波混频过程同时散射为频率分别为ωｓ和ωｉ的信号光与闲置光孪生光子对，其中２ω↓［ｐ］＝ω↓［ｓ］＋ω↓［ｌ］，这个参量过程满足能量守恒和动量守恒条件；　 　４）光纤偏振控制器ＦＰＣ：用于调整量子关联光子对的偏振方向，使得光子对可通过偏振分束器；５）光纤偏振分束器ＦＰＢＳ：用于选择量子关联光子对的偏振，根据位相匹配条件，选择和泵浦光平行或垂直的光子对；６）滤波器：频谱和泵浦脉冲 匹配的滤波器，用于有效地隔离泵浦光，提取波长位于所选择的信号光ωｓ和闲置光ωｉ波段的光子对，使得单光子探测器ＡＰＤ每探测到一个信号光光子ωｓ，即宣布闲置光孪生光子ωｉ的产生；７）单光子探测器：用于探测信号光通道的信号光子，每一个探测 事件会产生一个相应的电脉冲，这个电脉冲可用于宣布其位于闲置光通道的孪生光子的存在；８）单光子输出端：由闲置光通道向外输出单光子。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李小英，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]