偏振糾纏光子的三明治波導(dǎo)源的制作方法
【專利說明】偏振糾纏光子的三明治波導(dǎo)源
[0001](本申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)日為2011年11月10日、國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01180054240.4、發(fā)明名稱為“偏振糾纏光子的三明治波導(dǎo)源”的申請(qǐng)的分案申請(qǐng))
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003]本申請(qǐng)要求2010年11月10日所申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)案的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其臨時(shí)案編號(hào)為61/412010，該專利的內(nèi)容將被引述在本專利全文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明總體涉及古典與量子光學(xué)以及量子信息科學(xué)，更具體涉及三明治結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0005]量子信息科學(xué)在科學(xué)研究領(lǐng)域中快速發(fā)展，這其中包含了糾纏光子領(lǐng)域中的研究。在常見的技術(shù)中，通常使用Sagnac干涉儀制造非衰退性的偏振糾纏光子對(duì)(即不同頻率的光子對(duì))。該技術(shù)包括使用兩束反向傳播的強(qiáng)光栗浦或照射非線性晶體，其與以栗浦頻率的大致一半為中心的光成I型相位匹配。在干涉儀的一個(gè)支路中，光學(xué)輸入光束和輸出光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)大約90度。兩個(gè)支路出來的光在偏振分光鏡(PBS)處合并，從PBS出來的光的關(guān)于偏振的信息被擦除，且產(chǎn)生量子糾纏光子。栗浦光的波長(zhǎng)被兩道PBS輸出濾掉，且信號(hào)以波長(zhǎng)做分割。然而，使用Sagnac源具有其缺點(diǎn)。因?yàn)樗请p向的，其光學(xué)元件需要能容忍兩種波長(zhǎng)且光纖耦合晶體必須能承受相位的不穩(wěn)定。
[0006]另一種產(chǎn)生糾纏光子的方法涉及使用兩個(gè)獨(dú)立的非線性晶體，分別置于平衡的Mach-Zehnder干涉儀的支路中。在此情況下，進(jìn)入干涉儀的激光栗浦光在第一 PBS處被分成兩路(支路)。如同在Sagnac干涉儀中一樣，每個(gè)支路中的每個(gè)晶體便于經(jīng)由I型相位匹配產(chǎn)生光子對(duì)。在一個(gè)支路中，確保在那里產(chǎn)生的光子對(duì)的偏振方向與可能在另一支路中產(chǎn)生的光子對(duì)的偏振方向正交。支路在第二 PBS處合并可以創(chuàng)造出偏振糾纏態(tài)。此解決方法的主要缺點(diǎn)或困難在于干涉儀的支路需要精確的平衡，而兩個(gè)晶體需要盡可能的相同，以確保有相似的雙光子光譜特性。
[0007]正因此，所以需要提供新的方法與裝置應(yīng)用于三明治波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以克服先前技術(shù)所遭遇的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明涉及一種用于三明治波導(dǎo)的裝置及其方法，此三明治波導(dǎo)裝置可克服已知方法與系統(tǒng)中產(chǎn)生偏振糾纏光子時(shí)的一些缺點(diǎn)。在實(shí)施例中，本發(fā)明可看作是物理上平坦的Mach-Zehnder干涉儀(從而去除了正常Mach-Zehnder干涉儀中支路部分)或以更通俗的來說，可看作是三明治源。本發(fā)明涉及可以通過將激光聚焦在兩基質(zhì)材料，如下轉(zhuǎn)換晶體，以三明治的方式夾著的界面而產(chǎn)生的偏振糾纏雙光子態(tài)。術(shù)語雙光子是指無法以傳統(tǒng)方式描述的兩個(gè)光子。在一個(gè)實(shí)施例中，被栗浦出或發(fā)射出來的激光波長(zhǎng)接近于二次諧波波長(zhǎng)，二次諧波的波長(zhǎng)相對(duì)于期望的輸出雙光子態(tài)的波長(zhǎng)而言。具體而言，可以選擇栗浦光或入射光的波長(zhǎng)以提高糾纏光子的產(chǎn)量和質(zhì)量，且不但與晶體或基質(zhì)材料有關(guān)，也與將雙光子中的非衰退波長(zhǎng)分開的能力有關(guān)。晶體最好能滿足輸入波長(zhǎng)與雙光子態(tài)的波長(zhǎng)的I型、II型或準(zhǔn)相位匹配。當(dāng)在I型相位匹配的情況下操作時(shí)，為了產(chǎn)生糾纏光子，兩晶體要使它們各自的下轉(zhuǎn)換光子以彼此不平行的偏振方向發(fā)出。在優(yōu)選實(shí)施例中，其中一個(gè)下轉(zhuǎn)換晶體所產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子與另一個(gè)晶體產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子的偏振方向垂直。在本發(fā)明的實(shí)施例中涉及使用波導(dǎo)改善糾纏態(tài)光子的生成效率，盡管這是非必要的。當(dāng)在II型相位匹配的情況下操作時(shí)，雙光子波長(zhǎng)非衰退。在一個(gè)實(shí)施例中，其中一個(gè)下轉(zhuǎn)換晶體所產(chǎn)生的雙光子對(duì)的一半即具有較短波長(zhǎng))的偏振方向與另一個(gè)下轉(zhuǎn)換晶體所產(chǎn)生的雙光子對(duì)的一半(也具有較短波長(zhǎng))的偏振方向垂直。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種系統(tǒng)，包括:三明治源，其響應(yīng)于在第一晶體和第二晶體之間的界面處栗浦到所述三明治源中的光，來產(chǎn)生偏振糾纏光子，所述三明治源包括:所述第一晶體，其具有第一接合面；以及所述第二晶體，其具有第二接合面，所述第一接合面在所述第一晶體和所述第二晶體之間的所述界面處接合至所述第二接合面，所述界面從所述三明治源的輸入端延伸至所述三明治源的輸出端；輸入，其光耦合至所述三明治源的輸入端，以在所述界面處將光栗浦到所述三明治源中；以及輸出，其光耦合至所述三明治源的輸出端，以收集所述三明治源所產(chǎn)生的偏振糾纏光子。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種方法，包括以下步驟:將光栗浦到三明治源的輸入端中，所述三明治源包括:第一晶體，其具有第一接合面；以及第二晶體，其具有第二接合面，所述第一接合面在所述第一晶體和所述第二晶體之間的所述界面處接合至所述第二接合面，所述界面從所述三明治源的輸入端延伸至所述三明治源的輸出端；響應(yīng)于在所述第一晶體和所述第二晶體之間的所述界面處栗浦到所述三明治源的光，來在所述三明治源中產(chǎn)生偏振糾纏光子；以及從所述三明治源的輸出端收集所述偏振糾纏光子。
【附圖說明】
[0011 ]現(xiàn)將參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0012]圖1為實(shí)施例中三明治波導(dǎo)源以及如何產(chǎn)生量子糾纏光子的示意圖；
[0013]圖2為制作三明治波導(dǎo)源的第一方法流程圖；
[0014]圖3為建構(gòu)三明治波導(dǎo)源的另一實(shí)施例的流程圖；
[0015]圖4為描述圖3的方法的示例的示意圖；并且
[0016]圖5為三明治波導(dǎo)源的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下的分類說明為了提供本說明書的更好理解。
[0018]“實(shí)驗(yàn)參考面(Lab reference frame) ” 一般將重力的方向視為垂直，而與重力方向垂直的方向視為水平。
[0019]“晶體參考面(Crystal reference frame) ”是指晶體內(nèi)的鍵結(jié)方向。舉例來說，對(duì)于單軸材料，其z或“Z”軸通常可看作晶體“c”軸，或是視為通常在其中發(fā)現(xiàn)晶體中原子間最大分離的方向。晶體參考面不一定與實(shí)驗(yàn)參考面一致。
[0020]“下轉(zhuǎn)換(Down convers1n) ”是指一種稱為參數(shù)下轉(zhuǎn)換的物理過程。此過程可被激發(fā)或自發(fā)，并且描述栗浦光子的裂變進(jìn)入到兩個(gè)衰變光子時(shí)節(jié)約能源與動(dòng)力的物理過程。
[0021]“I型(Type I) ”為下轉(zhuǎn)換的一種類型，其中下轉(zhuǎn)換光子有相同的偏振方向。
[0022]“II型(Type II) ”為下轉(zhuǎn)換的一種類型，其中下轉(zhuǎn)換光子的偏振方向正交。
[0023]“相位匹配(Phase Matching) ”，即裂變光子與栗浦光子有良好的相位匹配。這通常也稱作動(dòng)量匹配，也可顯著的決定裂變光子的波長(zhǎng)。
[0024]“栗浦(Pumping) ”，為導(dǎo)入或注入激光或傳統(tǒng)光于基質(zhì)材料或波導(dǎo)內(nèi)。
[0025]本發(fā)明涉及三明治波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，三明治波導(dǎo)用于偏振糾纏光子的源。在一個(gè)實(shí)施例中，三明治波導(dǎo)源可以包括一對(duì)包括波導(dǎo)組件的下轉(zhuǎn)換晶體。
[0026]圖1為實(shí)施例中三明治波導(dǎo)源以及量子糾纏效應(yīng)是如何產(chǎn)生的的示意圖。
[0027]在第一基質(zhì)材料如晶體10中的波導(dǎo)組件12可視為第一波導(dǎo)組