一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源的制作方法

1.本技术适用于量子光学和量子信息技术领域，尤其涉及一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源。


背景技术：

2.通信安全是国家信息经济安全和人民社会生活的保障。量子通信基于量子力学，是原理上信息论可证的无条件安全的通信方式，具有传统通信方式不具备的绝对安全性，在国家信息安全、军事安全、金融安全等安全领域有着巨大的应用前景。量子通信中信道传输衰减是单链路的平方，在最终码率的提高方面存在一些制约，而提高纠缠源亮度是提高最终码率最直接的手段之一。
3.传统的纠缠源是利用周期极化二阶非线性晶体的自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion，spdc)来产生量子纠缠，但产率低，体积大，控温电路体积大、设计复杂导致的控温难度大，集成化低等缺点；相比于体块量子光学，量子集成光学具有体积小、稳定性高、操控性强、可重构等特点。铌酸锂作为最重要的非线性光学材料之一，被广泛用于量子光源的制备和量子态的高速调控。随着微加工技术的引入，铌酸锂已经成为量子集成光学的重要平台，能够实现多种自由度编码的单片集成的纠缠光源，周期性极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate，ppln)波导是解决量子信息领域纠缠源难题的最佳选择。
4.现有的量子纠缠源需要使用镜片等构成光路，形成的装置体积较大，不便于使用，且使用镜片进行量子纠缠的效果较差，对镜片的参数要求和装置密封要求均较高，不易于实现。因此，如何降低体积较小且量子纠缠效果较佳的纠缠源的实现难度成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术实施例提供了一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源，以解决如何降低体积较小且量子纠缠效果较佳的纠缠源的实现难度的问题。
6.本技术提供一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源，所述量子纠缠源包括泵浦光源、波导装置和纠缠装置；
7.所述波导装置包括ppln波导和片上分束器，所述片上分束器的输入端连接所述泵浦光源，所述片上分束器将所述泵浦光源分成两路光进入所述ppln波导，在所述ppln波导中形成两路spdc光路；
8.所述纠缠装置包括光纤固定器、第一模式微纳光纤、第二模式微纳光纤和光纤偏振合束器，所述第一模式微纳光纤和所述第二模式微纳光纤末端的模式相差90
°
，所述第一模式微纳光纤与所述第二模式微纳光纤均使用所述光纤固定器固定，使得两路光纤的长度相同；
9.所述第一模式微纳光纤的输出端对接从所述ppln波导中输出一路spdc光路，所述
第二模式微纳光纤的输入端对接从所述ppln波导中输出的另一路spdc光路，所述第一模式微纳光纤的输出端和所述第二模式微纳光纤的输出端分别连接所述光纤偏振合束器的两个输入端，所述光纤偏振合束器用于将两路spdc光路聚合后形成干涉并输出。
10.在一实施方式中，所述光纤固定器为光纤阵列，所述光纤阵列包括n个平行且长度相同的光纤固定槽，所有光纤固定槽间等间隔设置，两路spdc光路在所述ppln波导中的间隔为相邻两个光纤固定槽的间隔距离的整数倍，所述光纤固定槽用于固定所述第一模式微纳光纤和所述第二模式微纳光纤，n为大于1的整数。
11.在一实施方式中，所述第一模式微纳光纤和所述第二模式微纳光纤均为保偏光纤。
12.在一实施方式中，所述光纤固定器为熊猫眼形状的固定结构，所述固定结构将所述第一模式微纳光纤和所述第二模式微纳光纤相邻并行设置，所述第一模式微纳光纤的横截面中心和所述第二模式微纳光纤的横截面中心的间隔与两路spdc光路在所述ppln波导中的间隔相同。
13.在一实施方式中，所述片上分束器为y型分束器。
14.在一实施方式中，所述量子纠缠源还包括基板片和温控装置，所述波导装置、所述纠缠装置和所述温控装置均固设在所述基板片上，所述温控装置用于对所述基板片上的所述波导装置和所述纠缠装置进行温度控制。
15.在一实施方式中，所述温控装置为tec控温驱动器，所述波导模块和所述补偿装置设置在所述基板片的一面，所述tec控温驱动器设置在所述基板片的另一面。
16.在一实施方式中，所述量子纠缠源还包括输出光纤，所述光纤偏振合束器的输出端连接所述输出光纤。
17.在一实施方式中，所述ppln波导为铌酸锂材料的脊型波导、钛扩散波导或质子交换波导。
18.在一实施方式中，所述ppln波导采用z切铌酸锂薄膜，薄膜厚度为5μm至600μm，所述ppln波导为使用极化周期为2.55μm至18.9μm，占空比为50％的条件进行周期性极化得到。
19.本技术的片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源与现有技术相比存在的有益效果是：本技术的量子纠缠源包括泵浦光源、波导装置和纠缠装置，波导装置包括ppln波导和片上分束器，片上分束器的输入端连接泵浦光源，片上分束器将泵浦光源分成两路光进入ppln波导，在ppln波导中形成两路spdc光路，纠缠装置包括光纤固定器、第一模式微纳光纤、第二模式微纳光纤和光纤偏振合束器，第一模式微纳光纤和第二模式微纳光纤末端的模式相差90
°
，第一模式微纳光纤与第二模式微纳光纤均使用光纤固定器固定，使得两路光纤的长度相同，第一模式微纳光纤的输出端对接从ppln波导中输出一路spdc光路，第二模式微纳光纤的输入端对接从ppln波导中输出的另一路spdc光路，第一模式微纳光纤的输出端和第二模式微纳光纤的输出端分别连接光纤偏振合束器的两个输入端，光纤偏振合束器用于将两路光波导聚合后形成干涉并输出，实现了在ppln波导上形成两路spdc光路，并通过光纤输出的方式对一路spdc光路进行转换，最终形成耦合输出，得到量子纠缠源，相较于传统自由空间纠缠形式而言采用光纤易于实现纠缠，且能够降低整个光路的占用空间，从而可以缩小纠缠源的体积。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本技术实施例一提供的一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源的结构示意图；
22.图2是本技术实施例一提供的一种采用z切铌酸锂薄膜的ppln波导后的量子纠缠源的结构示意图；
23.图3是本技术实施例一提供的一种量子纠缠源在不同温度下的产率图；
24.图4是本技术实施例二提供的一种量子纠缠源的光纤固定器的结构示意图；
25.图5是本技术实施例三提供的一种量子纠缠源的光纤固定器的结构示意图；
26.图6是申请实施例四提供的一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源的结构示意图；
27.图中，1为泵浦光源、2为波导装置、3为纠缠装置、4为基板片、5为温控装置、201为ppln波导、202为片上分束器、2011为第一路spdc光路、2012为第二路spdc光路、301为光纤固定器、302为第一模式微纳光纤、303为第二模式微纳光纤、304为光纤偏振合束器、3011为光纤阵列、3012为熊猫眼形状的固定结构。
具体实施方式
28.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
29.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
30.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
31.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0032]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是
所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0034]
应理解，以下实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0035]
为了说明本技术的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0036]
实施例一
[0037]
参见图1，为本技术实施例一提供的一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源的结构示意图，该量子纠缠源括泵浦光源1、波导装置2和纠缠装置3，波导装置包括ppln波导201和片上分束器202，片上分束器202的输入端连接泵浦光源1，纠缠装置3包括光纤固定器301、第一模式微纳光纤302、第二模式微纳光纤303和光纤偏振合束器304。
[0038]
片上分束器202的两个输出端分别将光子射入ppln波导2，在ppln波导2中形成两路spdc光路，即图1中第一路spdc光路2011和第二路spdc光路2012。第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303末端的模式相差90
°
，第一模式微纳光纤302与第二模式微纳光纤303均使用光纤固定器301固定，使得第一模式微纳光纤302与第二模式微纳光纤303的长度相同。例如，片上分束器为y型分束器。
[0039]
第一模式微纳光纤302的输出端对接从ppln波导201中输出一路spdc光路即第一路spdc光路2012，第二模式微纳光纤303的输入端对接从ppln波导201中输出的另一路spdc光路即第二路spdc光路2011，第一模式微纳光纤302的输出端和第二模式微纳光纤303的输出端分别连接光纤偏振合束器304的两个输入端，光纤偏振合束器304用于将两路spdc光路聚合后形成干涉并输出。
[0040]
上述的两路spdc光路，通过spdc过程分别将泵浦光源1发送的光生成较长的|v》s|v》i光子，之后，两路|v》s|v》i光子分别进入第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303，在第一模式微纳光纤302或者第二模式微纳光纤303中对|v》s|v》i光子进行模式转换后，得到|h》s|h》i光子，|v》s|v》i光子和|h》s|h》i光子进入光纤偏振合束器304，使两路光束汇聚到一起，这一对光子形成干涉，则可以构造不同的最大纠缠态，在偏振维度上构造下列2个最大纠缠态之一，纠缠公式如下：
[0041][0042]
本技术中，ppln波导201可以采用微米级甚至是纳米级，因而对应该ppln波导201的周期极化及光纤耦合纠缠相比传统方案难度指数增长。为了实现上述的ppln波导201，可以使用z切铌酸锂薄膜实现，如图2所示，为采用z切铌酸锂薄膜的ppln波导201后的量子纠缠源。该z切铌酸锂薄膜的制作过程中，自发参量下转换采用type-0型模式，具体为：
[0043]
1、计算参量下转换所需的准相位匹配周期，通过comsol数值模拟软件构建极化电极模型。
[0044]
其中，在铌酸锂薄膜极化中需要通过comsol数值模拟软件构建极化电极模型，模拟研究不同的电极构型对应的极化电场分布，通过实验探究极化电极构型、极化电压、极化时间、极化周期对反转畴成核和横向展宽的影响机制，选择最优的极化电极构型，建立外加极化电场和极化时间与内部畴结构运动的对应关系，精确控制反转畴的横向展宽，减少相
邻反转畴的合并。
[0045]
2、根据准相位匹配周期，使用uv掩膜曝光在z切铌酸锂薄膜上制备周期极化电极。
[0046]
其中，加工的过程可以包括甩胶、曝光(uv紫外曝光、ebl)、显影、定影、镀电极、高压极化(高压极化采用极化周期进行极化)等步骤，曝光过程采用双重紫外曝光技术增加曝光极限，进而精确控制pvd进行精确金属电极的制作。当然，在不考虑加工精度的情况下，也可以采用一次曝光技术，本技术对此不作限制。
[0047]
3、基于反转晶畴成核和横向展宽随极化电极构型、极化电压和极化时间的变化曲线，确定选择最优极化电极构型。
[0048]
4、基于最优极化电极构型，通过外加电场法对已制备周期极化电极的z切铌酸锂薄膜进行自发参量下转换，得到极化和反转畴占空比均匀的ppln波导，ppln波导满足一阶准相位匹配的要求。
[0049]
其中，周期性极化后，对反转畴结构进行测试表征，要求极化均匀，反转畴占空比均匀，来满足一阶准相位匹配的要求。
[0050]
传统的周期极化二阶非线性晶体自发参量下转换采用type-ii型模式，压电常数d33较小(即转换能力低、纠缠源性能低)，周期较大(即量级在10μm量)。本技术中ppln波导自发参量下转换采用采用type-0型模式，压电常数d33较大(即为type-ii型几倍、纠缠源性能增加几倍)，周期较小(即量级10级性以内，尤其在405nm下周期是2.55μm在)，因此制备的难度较高。
[0051]
本技术模拟研究不同的电极构型对应的极化电场分布，计算spdc所需的准相位匹配周期，通过comsol数值模拟软件构建极化电极模型；并通过标准的半导体精密加工技术(uv掩膜曝光)在z切ppln波导上制备周期极化电极；通过实验探究极化电极构型、极化电压和极化时间对反转晶畴成核和横向展宽的影响机制，选择最优的极化电极构型，建立外加极化电场和极化时间与内部畴结构运动的对应关系，精确控制反转畴的横向展宽，减少相邻反转畴的合并；通过外加电场法对z切ppln波导上进行周期极化，spdc过程；对反转畴结构进行测试表征，要求极化均匀，反转畴占空比均匀，来满足一阶准相位匹配的要求。
[0052]
在一实施方式中，ppln波导201采用z切铌酸锂薄膜，薄膜厚度为5铌酸至600μm，ppln波导为使用极化周期为2.55μm至18.9μm，占空比为50％的条件进行周期性极化得到。
[0053]
其中，量子纠缠源的发生纠缠主要的指标是纠缠可见度，使用上述的z切铌酸锂薄膜，量子纠缠源系统对比度高达103:1，是传统ppkdp晶体(50:1)的2倍以上。
[0054]
如图3所示，为量子纠缠源在不同温度下的产率图，其中，横坐标是温度，单位是℃，纵坐标是产率，单位是g/mw)，本技术中量子纠缠源产率可达6g pairs/mw(在44℃下)，相比传统ppkdp晶体(产率为30m pairs/mw/s)提高100倍以上，在不同温度下本技术的量子纠缠源可以高效地提供量子纠缠光子对。
[0055]
实施例二
[0056]
参见图4，为本技术实施例二提供的一种量子纠缠源的光纤固定器的结构示意图，该光纤固定器301为光纤阵列3011，光纤阵列3011包括n个平行且长度相同的光纤固定槽，所有光纤固定槽间等间隔设置，两路spdc光路在ppln波导中的间隔为相邻两个光纤固定槽的间隔距离的整数倍，光纤固定槽用于固定第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303，n为大于1的整数。
[0057]
具体的是，第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303均为保偏光纤。
[0058]
此时，根据准相位匹配方程，确定计划周期，对铌酸锂薄膜进行周期性极化，例如，输入光为405nm连续激光，参量光为810nm，计算得到极化周期是2.55μm，占空比50％。
[0059]
其中，通过甩胶、曝光、显影、定影、镀电极和加电压极化进行周期性极化，极化周期是2.55μm，占空比50％。
[0060]
将周期极化的铌酸锂薄通过微纳加工工艺制作成周期极化薄膜铌酸锂波导(即ppln波导)。
[0061]
将ppln波导201电子束蒸发sio2作为保护层，然后进行切割、抛光。
[0062]
将ppln波导201前端耦合光纤用于连接片上分束器202，后端通过光纤阵列3011耦合光纤输出到光纤偏振合束器304纠缠装置进行干涉，结合其他可以设置的设备，再进行封装，即可得到量子纠缠光源。
[0063]
传统周期极化晶体与自由空间光学器件(即mm量级)直接粘在一起固定就可以，但束缚光能力低，纠缠源性能低(亮度跟光束的束腰成反比关系)；本技术中两路spdc光路间距为100μm级别，两路spdc光路需要同时与纠缠装置耦合，难度很大。通过lumerical fdtd数值模拟软件模拟两路spdc光路的输出光斑模式对应的电场分布，计算两路spdc光路的耦合效率，探索耦合效率最高参数；通过将两路spdc光路通过实时监测系统精确控制，从而精确控制其输出光斑模式，使之与纠缠装置的光斑模式相匹配，用紫外胶固定，从而实现波导的高效率耦合。
[0064]
实施例三
[0065]
参见图5，为本技术实施例三提供的一种量子纠缠源的光纤固定器的结构示意图，光纤固定器301为熊猫眼形状的固定结构3012，熊猫眼形状的固定结构3012将第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303相邻并行设置，第一模式微纳光纤301的横截面中心和第二模式微纳光纤303的横截面中心的间隔与两路spdc光路在ppln波导201中的间隔相同。图5中举例说明两个光纤的横截面中心的间隔为0.125μm，对应的固定结构3012的直径可以为1.8μm，两个光纤在包覆层内呈现熊猫眼形状，两个光纤的末端的模式相差90
°
。
[0066]
具体的是，第一模式微纳光纤302和第二模式微纳光纤303均为保偏光纤。
[0067]
此时，根据准相位匹配方程，确定计划周期，铌酸锂薄膜进行周期性极化，例如，输入光为780nm连续激光，参量光为1560nm，计算得到极化周期是18.9μm，占空比50％。
[0068]
其中，通过甩胶、曝光、显影、定影、镀电极和加电压极化进行周期性极化，极化周期是2.55μm，占空比50％。
[0069]
将周期极化的铌酸锂薄通过微纳加工工艺制作成周期极化薄膜铌酸锂波导(即ppln波导)。
[0070]
将ppln波导201电子束蒸发sio2作为保护层，然后进行切割、抛光。
[0071]
将ppln波导201前端耦合光纤用于连接片上分束器202，后端通过熊猫眼形状的固定结构3012装配光纤输出到光纤偏振合束器304纠缠装置进行干涉，结合其他可以设置的设备，再进行封装，即可得到量子纠缠光源。
[0072]
在一实施方式中，量子纠缠源还包括输出光纤，光纤偏振合束器的输出端连接输出光纤。
[0073]
实施例四
[0074]
参见图6，为申请实施例四提供的一种片上双周期极化铌酸锂的量子纠缠源的结构示意图，在实施例一的基础上，该量子纠缠源还包括基板片4和温控装置5，波导装置2、纠缠装置3和温控装置5均固设在基板片上，温控装置5用于对基板片4上的波导装置2和纠缠装置3进行温度控制。
[0075]
其中，温控装置5可以实现整体控温，降低控温难度，集成了小的控温电路，系统体积大大减小，具体的是，温控装置为tec控温驱动器，波导模块和补偿装置设置在基板片的一面，tec控温驱动器设置在基板片的另一面。另外，波导装置2中ppln波导201的两路spdc光路构成的平面可以由基板片4垂直设置或者平行设置。
[0076]
在一实施方式中，ppln波导201为铌酸锂材料的脊型波导、钛扩散波导或质子交换波导。本实施例以脊型波导为例介绍基础ppln波导的加工过程。
[0077]
基于光波导理论，运用comsol数值模拟和lumerical模拟构建ppln脊型波导结构模型，模拟研究波导结构参数如波导宽度、脊型高度、侧壁倾角等对波导内部不同波长光斑模式有效折射率的影响，进而指导设计脊型波导结构参数。
[0078]
本技术设计制作出双周期极化铌酸锂波导量子纠缠源，体积相对光学平台的空间光路大大减小，且最后是光纤输入泵浦光，光纤输出纠缠源，大大增加了集成化。通过采用type-0型双周期极化薄膜铌酸锂波导的光子对产生系统，转换效率高，亮度大；并且，本技术设计制作出type-0型spdc片上双周期极化薄膜铌酸锂波导的光子对产生系统，可以实现整体控温，降低控温难度，集成了小的控温电路，系统体积大大减小，另外，本技术设计制作出双周期极化铌酸锂波导量子纠缠源的自由空间集成纠缠装置，装置体积相对光学平台的空间光路大大减小，且最后是光纤输入泵浦光，光纤输出纠缠源，大大增加了集成化。
[0079]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。