通信波长频率一致纠缠光源的频谱测量

本文利用光栅单色仪实现了对超短脉冲抽运周期极化磷酸氧钛钾晶体产生的通信波长频率一致纠缠光子源的频谱特性分析.测量到双光子的联合频谱呈正关联分布,为频率一致纠缠光源.信号光、闲置光中心波长分别为1574.4 nm和1574.9 nm,频谱宽度分别为35.3 nm和37.6 nm,双光子符合包络宽度约为3 nm.根据单光子频谱宽度与双光子符合包络宽度的比值可以得到双光子的频率纠缠参量R约为12,表征了信号光子与闲置光子之间具有较高的频率纠缠度.     

超短脉冲抽运下频率一致纠缠光源量子特性实验研究

利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响. 关键词： 频率一致纠缠 Hong-Ou-Mandel干涉测量 符合计数     

基于光子晶体光纤关联光子对频谱特性的研究

为了研究光子品体光纤在800 nm波段关联光子对的频谱特性.基于自发四波混频得到了脉冲抽运光产生的光子对的相位匹配函数和频谱甬数.数值计算、证明闲频光中心波长取796 nm时的频谱对称性最好;在假设闲频光频率为单一频率的前提下,利用简化频谱函数的表达式,通过改变光子晶体光纤零色散点色散斜率和非线性系数,以及抽运光的入射中心波长,进一步讨论了抽运光和光子晶体光纤参数变化对信号光和闲频光频谱函数的影响及变化规律.提出了有利于产生高纯度纠缠光子对的光纤参数和抽运光参数,结果对于在800 nm波段发展光子晶体光纤纠缠光子源的实验具有指导和参考意义.     

频率非简并第I类自发参量下转换纠缠光子对量子特性

理论研究了频率非简并第I类自发参量下转换过程中产生的纠缠光子对的量子特性,且与频率简并的情况做了对比.通过纠缠光子对的联合谱强度分析了纠缠光子对的光谱特性及纠缠特性;通过洪-区-曼德尔干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪分析了纠缠光子对的量子干涉特性.结果表明:脉冲泵浦作用下,由于频率非兼并使得相位匹配函数不对称,导致两纠缠光子可区分,量子干涉可见度减小.随着泵浦脉冲频宽的增加,这种效应更加明显.连续激光泵浦时,相位匹配函数是对称的,得到最大的纠缠度和量子干涉可见度.该研究为频率非简并纠缠光子源在各种量子信息方案中的应用提供理论指导.     

超短脉冲偏振纠缠干涉

利用超短脉冲自发参量下转换产生偏振纠缠光子对，通过实验和数值计算分析不同长度BBO晶体对偏振纠缠干涉可见度的影响，并分析窄带干涉滤光片在实验测量中的作用，我们的结果说明减小晶体长度和利用窄带干涉滤光片可有效提高双光子的干涉可见度。     

强聚焦泵浦产生纠缠光子的Hong-Ou-Mandel干涉

(86.6±1.0)Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉是光子的一种非经典效应,在量子光学中起到重要作用.偏硼酸钡(β-barium borate, BBO)具有较高的非线性效率,常被用来产生双光子态,进而展示HOM干涉.然而,在以前的实验中,人们往往使用带通滤光片对双光子的频谱进行过滤,所得光谱由带通滤光片直接决定,而对BBO晶体自身的原始光谱,特别是泵浦光强聚焦下的原始光谱,缺乏系统性研究.本文对泵浦光强聚焦条件下BBO晶体产生的双光子纠缠态光谱分布和HOM干涉进行了深入研究.理论计算发现,使用50 mm透镜聚焦的情况和无聚焦情况相比,下转换光的光谱宽度会增加7.4倍, HOM干涉条纹的宽度会减少为无聚焦情况的1/8,干涉条纹可见度会从53.0%提高到98.7%.实验上使用II型BBO晶体制备了能量-时间纠缠态,并进行了HOM干涉,获得了%的干涉可见度.干涉可见度极大提高的原因在于强聚焦改善了光谱的对称性.此外,本文提出的不同入射角获得不同光谱分布的技术方案有望在未来应用于高维量子纠缠态的制备.     

两个独立全光纤多通道光子纠缠源的Hong-Ou-Mandel干涉

独立光子源的干涉是实现复杂量子体系应用(比如多光子纠缠态产生和量子隐形传态等)的核心技术.利用100 GHz密集波分复用技术,实现了1.55μm全光纤多通道独立纠缠光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,在不去除暗符合(随机符合计数)的情况下,可见度为53.2%±8.4%,去除暗符合可见度可达到82.9%±5.3%.给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了抽运脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件(最佳的抽运脉冲宽度为8 ps,高斯滤波器带宽为40 GHz及以下).在测量Hong-Ou-Mandel干涉之前,先测量了液氮冷却状态下的色散位移光纤关联光子源的符合和随机符合比率,在抽运功率为23μW的情况下,最大比率可以达到131.Hong-Ou-Mandel干涉在高精度光学测量、测量装置无关的量子密钥分配等应用中扮演着极为重要的角色.     

GaP波导型发射器产生频率可调谐太赫兹脉冲

报道了利用脉宽可调的光子晶体光纤飞秒激光放大器抽运矩形波导结构的GaP晶体太赫兹(THz) 发射器产生频率可调谐的超快THz脉冲.非线性晶体中光整流过程产生的THz辐射频率随抽运光脉冲宽度而 变化. GaP波导THz发射器可通过波导的几何尺寸来控制色散,以达到增加有效作用长度和提高输出功率的目的. 不同横截面尺寸的波导型发射器的THz辐射峰值频率随相位匹配条件的改变而改变,加以脉宽调节技术, 可以在大频谱范围获得频谱精细可调的THz脉冲.实验中在1 mm×0.7 mm的波导型THz发射器中获得了 频率可调谐的THz脉冲.提出实现THz辐射频率大范围调谐的GaP波导型阵列发射器的实施方案.     

飞秒超短脉冲的双光子干涉

利用钛宝石飞秒激光超短脉冲抽运BBO晶体,产生Ⅰ型自发光参量下转移的双光子对,在实验上得到双光子对的四阶干涉现象,证明了双光子纠缠态的关联特性。     

脉冲光场作用下啁啾双光子量子特性研究

基于量子理论和非线性光学,研究了脉冲光场作用啁啾准相位匹配非线性晶体的第Ⅱ类自发参变下转换过程中,脉冲宽度和啁啾系数对产生的纠缠双光子特性及Hong-Ou-Mandel(HOM)量子干涉结果的影响。结果表明,啁啾系数一定时,随着脉冲宽度的增加,双光子谱的不可区分性降低,HOM量子干涉可见度下降。当脉冲宽度一定时,随着啁啾系数的增加使双光子谱带宽增加,HOM量子干涉陷落变窄,双光子谱的不可区分性增强,从而提高了相干精度和干涉可见度。理论上得到了超宽带的双光子谱和对应超窄的HOM量子干涉图。     

Degenerate entangled photon pairs source based on PPLN waveguide for quantum computation

Integrated photonic devices are expected to play a promising role in the field of quantum information science. In this paper we propose two schemes for generating polarization-mode entangled photon pairs based on titanium-indiffused waveguide on periodically polled lithium niobate by using simultaneous quasi-phase-matching of Type-I and higher order Type-0 spontaneous parametric down conversion processes in one of them and Type-II in another. The photon pairs are emitted at the wavelength of 812 nm suitable for quantum computation applications within a bandwidth of 14 and 0.2 nm, and the generation rate of the degenerate sources is 44,360 and 91 pairs/(s GHz mW) respectively, in a 1-cm long waveguide. These degenerate sources can provide maximally entangled photon pairs as the Tangle of the sources is as high as 0.9999 and 1, accordingly.     

基于PPKTP波导产生多通道光子对

提出了一种基于PPKTP波导利用自发参量产生多通道纠缠光子对的方案.计算在使用脉冲,连续激光,Ⅰ型、Ⅱ型相位匹配这些不同条件下,同时产生位于通信波段的多通道纠缠光子对的特性.结果显示该方案能够为量子密钥分配网络提供更为高效易行的方案.     

泵浦光的入射角对参量下转换的影响

利用参量下转换制备相关光子实现对各类探测器的量子效率的定标,是近年来兴起的新型定标技术。由于参量下转换的光子转换效率低,探测器输出信号信噪比小。采用短波激光器泵浦PPLN周期极化性晶体,可获得较大功率的参量光。分析了泵浦光在PPLN晶体端面的入射角对参量光的转换效率、空间分布、参量带宽及晶体周期的影响,并进行了数值模拟。分析发现当泵浦光正入射晶体端面时,参量光功率转换大,带宽小,发散角大;随着泵浦光入射角度逐渐增大,参量下转换的转换效率降低,相关光子的带宽变小,发散角变小且参量光的中心波长的空间位置会发生相对偏移。该研究结果可为相关光子探测、模拟探测器量子效率的高精度定标提供理论依据。     

PPLN waveguide for quantum communication

We report on energy-time and time-bin entangled photon-pair sources based on a periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide. Degenerate twin photons at 1 314 nm wavelength are created by spontaneous parametric down-conversion and coupled into standard telecom fibers. Our PPLN waveguide features a very high conversion efficiency of about 10^-6, roughly 4 orders of magnitude more than that obtained employing bulk crystals [#!Tanzilli01a!#]. Even if using low power laser diodes, this engenders a significant probability for creating two pairs at a time - an important advantage for some quantum communication protocols. We point out a simple means to characterize the pair creation probability in case of a pulsed pump. To investigate the quality of the entangled states, we perform photon-pair interference experiments, leading to visibilities of 97% for the case of energy-time entanglement and of 84% for the case of time-bin entanglement. Although the last figure must still be improved, these tests demonstrate the high potential of PPLN waveguide based sources to become a key element for future quantum communication schemes. Received 13 July 2001     

基于周期极化晶体MgO:PPLN的纠缠光子对制备过程的研究

基于二阶非线性效应的自发参量转换技术制备纠缠光子对过程中,以掺5 mol%MgO:PPLN周期极化晶体为研究对象,将光参量变换过程中的动量守恒和能量守恒条件与该晶体的色散方程,以及晶体极化周期随温度变化的热膨胀方程相联系,得到了355 nm、405 nm、532 nm、780 nm和1 064 nm这5个实验室常用波长点在制备纠缠光子对时的周期调谐特性和温度调谐特性。研究过程中发现,出现了晶体极化周期过小和产生两对纠缠光子对问题,总结并归纳了各波长点在一定极化周期和温度下与非线性晶体作用所产生的纠缠光波段范围。当选用其他非线性周期极化晶体进行实验时,改变QPM动量守恒条件中的极化周期项,同时根据具体使用的晶体改变色散方程。该研究方案可直接推广到使用不同非线性晶体产生通信光波段或红外光波段的纠缠光子对研究中,在制备量子光源等领域具有重要研究价值。     

周期极化铌酸锂中通信波段纠缠双光子的波长管理方法

理论研究了周期极化铌酸锂晶体中通过自发参量下转换产生的纠缠双光子的波长管理方法.简并自发参量下转换产生的单色偏振纠缠双光子的波长,可以通过调整晶体的极化周期或工作温度自由地调节,特别是在加工好的晶体中极化周期是确定的,因而调整晶体的工作温度更加便捷.对于双色偏振纠缠双光子来说,不需改变入射的泵浦光以及晶体的极化结构,仅通过调节晶体的工作温度就可以实现o光光子和e光光子波长的严格交换.     

Theory for quantum state of photon pairs generated from spontaneous parametric down-conversion nonlinear process

A theory is presented for the quantum state of photon pairs generated from spontaneous parametric down-conversion nonlinear process. In this theory, the influence of the final sizes of nonlinear optical crystals on optical eigenmodes is explicitly taken into consideration. It was found that these photon pairs are not in entangled quantum states. Polarization correlations between the signal beam and the idler beam are explained. It is also shown that the two photons generated from SPDC are not spatially separated, therefore the polarization correlation between the signal and idler beams is not an evidence for quantum non-locality. The text was submitted by the authors in English.     

Widely tunable single-photon source with high spectral-purity from telecom wavelength to mid-infrared wavelength based on MgO:PPLN

By utilizing the extended phase-matching(EPM) method, we investigate the generation of single photons with high spectral-purity in a magnesium-doped periodically-poled lithium niobate(Mg O:PPLN) crystal via the spontaneous parametric down-conversion(SPDC) process. By adjusting the temperature and pump wavelength, the wavelength of the single photons can be tuned from telecom to mid-infrared(MIR) wavelengths, for which the spectral-purity can be above 0.95 with high transmission filters. In experiments, we engineer a Mg O:PPLN with poling period of 20.35 μm which emits the EPM photon pair centered at 1496.6 nm and 1644.0 nm and carry out the joint spectral intensity(JSI) and Glauber's second-order self-correlation measurements to characterize the spectral purity. The results are in good agreement with the numerical simulations. Our work may provide a valuable approach for the generation of spectrally pure single photons at a wide range of wavelengths which is competent for various photonic quantum technologies.     

The factors of spontaneous parametric down conversion process in BiB3O6 crystal with a broadband pump

We investigate the spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process in biaxial nonlinear crystal BiB₃O₆ (BIBO) with a broadband pump. Under the type I and type II phase-matching conditions, we numerically calculate the influencing factors on SPDC process in BIBO crystal, such as temporal and spatial walk-off, the acceptance angles, and spectral acceptance bandwidth. Comparing the two types of phase-matching, we could conclude that the type II phase-matching in BIBO crystal is better for the SPDC because of zero dispersion and bigger acceptance parameters. These results can be used to construct a system to generate ultra-fast entangled photon pairs.