專利名稱：全光纖窄帶寬單光子源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于量子信息處理技術領域，是一種單光子源。
背景技術：
單光子源的定義是在任意時刻都可以發(fā)射且只發(fā)射一個光子的光源，數學表示為n＝|1>。是實現量子邏輯門、量子密鑰分配、糾纏光子對及高精度量子測量等量子信息處理技術的必要工具。盡管人們嘗試著采用各種方法來產生這種特殊的光源，但是事實上，現有的或將有的各種各樣的可實現的單光子源都和定義的這種理想狀態(tài)的單光子源有著或多或少的差距。從量子信息處理技術的實用的角度來講，對于單光子源，人們關心的兩個最重要的參數是可響應系統(tǒng)單光子請求而發(fā)出單個光子的時間間隔，也就是重復頻率；以及響應系統(tǒng)請求而發(fā)射單個光子的概率。
目前廣泛應用于量子密鑰分配的單光子是由衰減的激光脈沖模擬的。激光的光子分布服從泊松分布，從一個脈沖中找到n個光子的概率p(n,μ)=μnn!e-μ,]]>其中，μ為每個脈沖包含的平均光子數；從一個脈沖中找到大于一個光子的概率p(n>1,μ)≈μ2;]]>而脈沖中不包含任何光子的概率為p(n＝0，μ)≈1-μ。由于多光子事件會使量子密鑰分配的保密性受到影響，因此為了得到近似的單光子源，使得一個脈沖包含兩個以上光子的概率遠小于只包含一個光子的概率，激光脈沖需衰減到μ≈0.1。但是這種情況下，大部分的脈沖都是不包含光子的，因此數據率很低，而且由于單光子探測器暗計數的存在，每一次探測，即使是對一個不包含任何光子的脈沖的探測都會由于暗計數的存在而引入噪聲，因此這種通訊系統(tǒng)信噪比也比較低。
一個有效的提高量子通訊數據率和信噪比的方法就是采用更好的單光子源，不僅提高整個系統(tǒng)的重復頻率而且提高每個觸發(fā)脈沖都包含單個光子的概率。途徑通常有如下幾種1)利用量子點，雖然由量子點產生的單光子已用于演示量子密鑰分配實驗和產生偏振糾纏的光子對，但是由于這種技術要求低于10k的溫度，而且所產生糾纏光子的波長不可調，此外，將這種光子高效地與單模光纖耦合也比較困難。
2)利用被囚禁在高精細度腔內的單原子或分子，雖然這種技術原則上來講可以產生非常接近理想狀態(tài)的單光子，但單原子與分子的俘獲本身就是非常復雜的技術。
3)利用基于晶體二階非線性效應的參量下轉換過程的量子關聯的光子對，相對來講，這種方法技術上較簡單。描述這種單光子源的關鍵指標就是宣布效率H，其物理意義是在信號光波段出現一個光子時，孿生光子出現在閑置光波段的概率。然而，由于模式匹配的原因，在將這種光子與單模光纖高效地耦合時，也存在技術上的困難。目前這種單光子源的宣布效率比較低，尤其是帶寬小于1納米時，目前H的值小于0.5。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是解決上述方法中的不足，提供一種全光纖窄帶寬單光子源，即用脈沖光來泵浦光纖，利用光纖內自發(fā)四波混頻參量過程而產生的量子關聯的光子對中一個光子探測作為觸發(fā)來宣布其孿生光子存在的方法產生單光子。
本發(fā)明提供了提高單光子源宣布效率的方法，而且提高了一種可與現存光纖通訊網絡集成的單光子源。運用于量子信息處理中，可提高系統(tǒng)的數據率和信噪比。
該全光纖窄帶寬單光子源，依次包括1)光纖激光器用于產生高重復頻率、傳輸極限的激光脈沖；2)帶通濾波器消除泵浦激光中所包含的波長在ωs和ωi波段的光子；3)零色散位移光纖或微結構光纖用于產生量子關聯的孿生光子對；兩個中心頻率為ωp的泵浦光子通過零色散位移光纖或微結構光纖的自發(fā)四波混頻過程同時散射為頻率分別為ωs和ωi的信號光與閑置光孿生光子對，其中2ωp＝ωs+ωi，這個參量過程滿足能量守恒和動量守恒條件；4)光纖偏振控制器FPC用于調整量子關聯光子對的偏振方向，使得光子對可通過偏振分束器；5)光纖偏振分束器FPBS用于選擇量子關聯光子對的偏振，根據位相匹配條件，選擇和泵浦光平行或垂直的光子對；6)濾波器頻譜和泵浦脈沖匹配的濾波器，用于有效地隔離泵浦光，提取波長位于所選擇的信號光ωs和閑置光ωi波段的光子對，使得單光子探測器APD每探測到一個光子，即宣布其孿生光子出現；7)單光子探測器用于探測信號光通道的信號光子，每一個探測事件會產生一個相應的電脈沖，這個電脈沖可用于宣布其位于閑置光通道的孿生光子的存在；8)單光子輸出端由閑置光通道向外輸出單光子。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明不僅可以利用高重復頻率的光纖激光器泵浦從而提高單光子的重復頻率，而且由于在信號光和閑置光波段采用頻譜和泵浦脈沖相匹配的濾波器，因而提高了宣布效率，尤其是帶寬小于1納米時。該發(fā)明和基于晶體的二階非線性效應參量過程的單光子源相比具有如下優(yōu)點1)所輸出的單光子模式純凈，為高斯模；2)由于光纖的波導特性，作用長度可以很長，因此總的非線性效應比較高，因此對泵浦激光的功率要求比較低；3)光纖之間的耦合不僅效率高而且很容易實現，普通單模光纖的焊接損耗大約為0.01dB，微結構光纖和標準光纖的焊接損耗也小于0.3dB，因此基于光纖的單光子源更便于研究多個光子的相互作用，更便于研究量子邏輯門，更便于與現有光通訊網絡集成可廣泛應用于量子信息處理技術中。本發(fā)明的關鍵在于采用帶寬為大約為1納米的傳輸極限的泵浦脈沖，在于使信號光和閑置光波段的濾波器的頻譜和泵浦光的相匹配，使得帶寬小于1納米的單光子光源的宣布效率大約為0.8。而且由于本發(fā)明所提出的系統(tǒng)可以采用重復頻率大于40GHz的脈沖激光器做為泵浦源，因此所產生單光子的重復頻率可大于3GHz。
本發(fā)明光纖激光器所發(fā)出的泵浦光脈沖滿足傳輸極限條件，在帶寬一定時，脈寬窄，峰值功率高，有利于抑制光纖中自發(fā)四波混頻過程中的背景噪聲。
這種窄帶寬的全光纖單光子源全部由光纖器件構成，為開關式的可集成光量子器件，可廣泛應用于量子密鑰分配，量子邏輯門及量子糾纏態(tài)的實現等量子信息處理中。全部器件可集成在一個3U的標準機盒中。

圖1是本發(fā)明裝置全光纖單光子源結構示意圖；圖2是測量由光纖產生的光子對頻譜關聯特性的裝置示意圖；圖3是由圖2所示的實驗裝置所產生的實驗結果，即真復合計數與閑置光濾波器中心波長的函數關系圖；圖4是采用具有高斯頻譜和近似矩形頻譜的濾波器時，真復合計數和信號光通道光子探測率與閑置光通道總探測效率乘積的函數關系圖。
具體實施方式
實施例1單光子源如圖1所示，小體積的高重復頻率的光纖激光器，發(fā)射傳輸極限的激光脈沖，在泵浦光纖前經過中心頻率為ωp的帶通濾波器，以消除泵浦激光中所包含的波長在ωs和ωi波段的光子。量子關聯光子對的產生于300-500米零色散波長大約為ωp的零色散位移光纖或10-20米具有高非線性系數且在光通訊波段自發(fā)四波混頻增益較高的微結構光纖(MF，microstructure fiber)中，光纖的輸出經過頻譜和泵浦脈沖相匹配的濾波器，高效地選擇頻率分別為ωs和ωi信號光、閑置光孿生光子對的同時有效地隔離泵浦光，其中2ωp＝ωs+ωi。光纖偏振控制器FPC和光纖偏振分束器FPBS用于選擇量子關聯光子對的偏振，根據不同的位相匹配條件，可以選擇和泵浦光平行的光子對也可以選擇和泵浦光垂直的光子對。系統(tǒng)的單光子觸發(fā)請求為單光子探測器對信號光通道信號光子的探測而產生的電脈沖，閑置光波段矩形濾波器的輸出為單光子。該單光子源的宣布效率約為80％，重復頻率可達3GHz，全部器件可集成在一個3U的標準機盒中。
實施例2光纖產生的光子對的頻譜關聯特性實驗如果利用光纖的自發(fā)四波混頻過程中的量子關聯的光子對來產生單光子，那么就既可以利用技術上相對簡單的參量轉換過程中產生的量子關聯的光子對來產生單光子，又可以提高單光子源與光纖的耦合效率，尤其是光纖產生的光子對的頻譜關聯特性為提高宣布效率提供了依據。
光纖產生的光子對的頻譜關聯特性由圖2所示的實驗裝置測得。中心波長分別為ωs和ωi的具有量子關聯特性的信號和閑置光孿生光子對由中心頻率為ωp的兩個泵浦光光子通過光纖的自發(fā)四波混頻過程同時散射而產生，其中2ωp＝ωs+ωi，這個參量過程滿足能量守恒和動量守恒條件。當位相匹配條件滿足時，這種散射的可能性大大增加。脈寬大約為4皮秒的泵浦脈沖經光纖放大器EDFA放大，并經過帶通濾波器Filter以消除泵浦光中所包含的波長在ωs和ωi波段的光子后，中心頻率ωp為1536納米、脈寬為5皮秒，且3dB帶寬為0.8納米的高斯型頻譜的脈沖激光泵浦由50/50分束器和300米零色散波長大約為1536納米的零色散位移光纖構成的Sagnac環(huán)，調整光纖偏振控制器FPC使得Sagnac環(huán)為一高反鏡時，在輸出端可得到Raman散射光子、關聯光子對和衰減30dB后的剩余泵浦光子。具有高反射與低偏振依賴特性的全息光柵G1-G3構成的頻譜為高斯型、3dB帶寬為0.6納米的濾波器，用于有效地隔離泵浦(隔離度大于75dB)，提取波長位于所選擇的信號光ωs和閑置光ωi波段的光子對。由于孿生光子對是同時產生的，因此對其中一個光子的探測必然對應著和它一起產生的另一個孿生光子，也即一個單光子事件的發(fā)生。實際上，由于系統(tǒng)中不可避免地存在著損耗、以及信號光ωs和閑置光ωi通道濾波器的頻譜失配，并非每個光子探測信號都能觸發(fā)單光子的產生。在閑置光通道探測到單光子的概率R＝ξ·ηif·ηid·Rs，其中Rs是信號光通道探測到光子的概率，ηid是光子由光纖環(huán)輸出到到達單光子探測器的效率與探測器效率的乘積，ηif是閑置光在光纖環(huán)內的效率，系數ξ來源于濾波器在泵浦光、信號光和閑置光通道的頻譜失配，理想情況下ξ＝1。宣布效率H可以表示為H＝ξ·ηif，由于光纖及構成光纖環(huán)的光纖器件，如50/50分束器的損耗可以非常小，以至忽略不計，因此這里提高宣布效率H的關鍵是了解泵浦光和關聯光子對的頻譜關聯特性以找出解決問題的方案。需要指出的是，以孿生光子對中的信號光的探測作為觸發(fā)而測得閑置光波段的單光子的探測率事實上就是信號光和閑置光光子對的真復合計數概率Rt，也即R＝Rt。真復合計數是復合計數與隨機復合計數之差，可以表示為Rt＝Rc-Ra＝ξ·ηif·ηid·Rs，其中Rc和Ra分別為同一個泵浦脈沖和相鄰脈沖產生的信號與閑置光子的復合計數和隨機復合計數。當泵浦光和信號光波段濾波器的中心頻率分別固定在1536和1547.5納米，以步長為0.1納米從1523到1527納米掃描閑置光濾波器的中心波長，并通過單光子探測器APD1和APD2記錄不同泵浦功率下信號與閑置光子的復合計數和隨機復合計數時，可得到如圖3所示的表征泵浦光和關聯光子對的頻譜關聯特性的真復合計數Rt和閑置光濾波器中心波長的函數。圖3中的方塊和三角分別表示每個泵浦脈沖中包含108和0.4×108個光子時測得的數據；粉色與綠色的曲線分別為高斯函數f(λ)＝exp[((λ-1524.69)/2×0.9)2]和f(λ)＝0.11exp[((λ-1524.69)/2×0.75)2]，是兩組數據的擬合曲線。圖3中的插圖為泵浦光在以上兩個不同的泵浦功率下，在輸出端的頻譜，他們的3dB帶寬分別為0.9和1.4納米。圖3所示的頻譜關聯特性表明，如果用頻譜形狀為矩形的濾波器代替高斯型的，系數ξ的值將增大。
圖4是分別采用由波分復用濾波器(WDM)構成的頻譜形狀為近似矩形的四階超高斯型濾波器和光柵構成的DGF高斯型濾波器測得的真復合計數和由四波混頻產生的在信號光通道的光子探測率與閑置光通道的總探測效率η的乘積的函數關系，其中η＝ηif·ηid。WDM和DGF濾波器在信號與閑置光波段的中心波長均為1541和1531納米，3dB帶寬分別為1納米和0.9納米。圖中的圓點和方塊分別表示用WDM和DGF濾波器時測得的數據；直線是函數Rt＝Rc-Ra＝ξ·ηif·ηid·Rs對數據的擬合，其斜率即為兩種實驗條件下的系數ξ。顯然，采用具有近似矩形的超高斯型頻譜的濾波器時，得出的系數ξ＝0.76大于采用高斯型DGF時得到的ξ＝0.6。這個結果進一步表明采用頻譜形狀為矩形的濾波器可得到較高的ξ值。
系數ξ的值不僅和濾波器的頻譜形狀有關，和帶寬也有關系。一般來講，如果所產生的光子都來源于自發(fā)四波混頻，假設泵浦光、信號光和閑置光的濾波器均為高斯型，系數ξ和濾波器帶寬具有如下關系ξ∝1/(ΔωP/ΔωF)2+1,]]>其中Δωp和ΔωF分別為泵浦光和關聯光子對濾波器的帶寬，顯然ΔωF越大，ξ值越趨于1。
量子信息處理要求單光子源產生多光子事件的概率遠小于只產生一個光子的概率?？紤]到關聯光子對的光子數分布為玻色愛因斯坦分布，從一個脈沖中找到n個光子的概率p(n，n)可以表示為p(n,n‾)=n‾n(1+n‾)n+1,]]>其中n為每個脈沖產生光子對的平均數。因此為了滿足多光子事件的概率遠小于發(fā)生單光子事件的概率，光子對的產生率需低于每個脈沖0.1對。由于光子對的產生率和信號與閑置光子的濾波器的脈寬成ΔωF成正比，因此ΔωF越大，獲得一定的光子對產生率所需要的泵浦功率越低。因為光纖的自發(fā)四波混頻過程中不可避免地伴隨著拉曼散射；因為孿生光子對的產生和泵浦光的峰值功率的平方成正比而拉曼散射的強度和泵浦光的平均功率成正比，所以AωF不能太大，否則，所探測到的光子中拉曼散射的光子所占的比率將，從而導致單光子源的質量下降。例如，對于孿生光子對偏振于泵浦光一致且頻率失諧較小時的四波混頻ξ∝1/[((ΔωP/ΔωF)2+1)·(1+1/ΔωP/ΔωF)2],]]>此時，當Δωp/ΔωF的值在1附近時，ξ有極大值。另外，由于窄帶光子有較長的相干長度，許多量子信息處理需要窄帶的單光子源來實現，這個需要也使得所選擇的濾波器帶寬不能過大。
鑒于以上分析，我們可得出結論基于光纖的量子關聯的光子對適于用作窄帶的單光子源，對其中一個光子探測作為觸發(fā)可高效率地宣布其孿生光子，也即單個光子的產生。采用重復頻率高的光纖激光器可提高單光子的重復率；采用窄脈寬的泵浦激光有利于提高峰值功率，減小背景噪聲；信號與閑置孿生光子對經過3dB帶寬大約為1納米且頻譜與泵浦脈沖相匹配的近似矩形的濾波器有利于提高宣布效率。
權利要求
1.一種全光纖窄帶寬單光子源，其特征是該裝置依次包括1)光纖激光器用于產生高重復頻率、傳輸極限的激光脈沖；2)帶通濾波器消除泵浦激光中所包含的波長在ωs和ωi波段的光子；3)零色散位移光纖或微結構光纖用于產生量子關聯的孿生光子對；兩個中心頻率為ωp的泵浦光子通過零色散位移光纖或微結構光纖的自發(fā)四波混頻過程同時散射為頻率分別為ωs和ωi的信號光與閑置光孿生光子對，其中2ωp＝ωs+ωi，這個參量過程滿足能量守恒和動量守恒條件；4)光纖偏振控制器FPC用于調整量子關聯光子對的偏振方向，使得光子對可通過偏振分束器；5)光纖偏振分束器FPBS用于選擇量子關聯光子對的偏振，根據位相匹配條件，選擇和泵浦光平行或垂直的光子對；6)濾波器頻譜和泵浦脈沖匹配的濾波器，用于有效地隔離泵浦光，提取波長位于所選擇的信號光ωs和閑置光ωi波段的光子對，使得單光子探測器APD每探測到一個信號光光子ωs，即宣布閑置光孿生光子ωi的產生；7)單光子探測器用于探測信號光通道的信號光子，每一個探測事件會產生一個相應的電脈沖，這個電脈沖可用于宣布其位于閑置光通道的孿生光子的存在；8)單光子輸出端由閑置光通道向外輸出單光子。
全文摘要
全光纖窄帶寬單光子源。包括光纖激光器、帶通濾波器、零色散位移光纖或微結構光纖、光纖偏振控制器FPC、光纖偏振分束器FPBS、濾波器、單光子探測器、單光子輸出端。本發(fā)明的關鍵在于采用帶寬為大約為1納米的傳輸極限的泵浦脈沖，在于使信號光和閑置光波段的濾波器的頻譜和泵浦光的相匹配，使得帶寬小于1納米的單光子光源的宣布效率大約為0.8。而且由于本發(fā)明所提出的系統(tǒng)可以采用重復頻率大于40GHz的脈沖激光器做為泵浦源，因此所產生單光子的重復頻率可大于3GHz。該單光子源全部由光纖器件構成，為開關式的可集成光量子器件，可廣泛應用于量子密鑰分配，量子邏輯門及量子糾纏態(tài)的實現等量子信息處理中。全部器件可集成在一個3U的標準機盒中。
文檔編號G02F1/35GK1888968SQ20061001440
公開日2007年1月3日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權日2006年6月22日
發(fā)明者李小英 申請人:天津大學