一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，該裝置包括：單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)；其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)；所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。本發(fā)明公開的裝置具有兼容性較高且成本較低特點，并且產(chǎn)生單光子的純凈度也會更高。
【專利說明】—種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在量子通信領(lǐng)域中，實現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)是一個重要的目標(biāo)，全量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要包含了以下幾個部分，可以攜帶信息的量子光源，可以傳播信息的信道，可以儲存并發(fā)送信息的中繼，可以接收信息的終端。其中量子光源的設(shè)計是必不可少的環(huán)節(jié)，通常所說的量子光源包含了量子糾纏光源和單光子源。糾纏光源可以利用各種非線性晶體的參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生，其保真度和產(chǎn)生效率都可以做得很高。而單光子源通常是利用各種量子體系的發(fā)光來實現(xiàn)?，F(xiàn)在比較成熟的單光子源包含以下幾種體系:
[0003]I)金剛石中的NV色心。高純金剛石是無色透明的，而自然界中的發(fā)現(xiàn)的金剛石有各種顏色，這是由于金剛石內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷造成的。在金剛石晶體中，大約有上百種發(fā)光缺陷，其中氮(N)是存在于自然金剛石中的主要雜質(zhì)，當(dāng)一個氮原子替代一個碳原子，并捕獲周圍一個空穴，會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，我們稱之為NV色心(Nitrogen Vacancy center)。NV色心具有穩(wěn)定的能級結(jié)構(gòu)，可以發(fā)出熒光。由于空穴的存在，會使NV色心存在充電或者不充電的兩種形態(tài)，兩種色心都具有能級結(jié)構(gòu)可以發(fā)射熒光，但性質(zhì)不同。沒有充電的NV色心為NV0，零聲子線波長為575納米，而充電色心NV —的零聲子線波長637納米(對應(yīng)能量為
1.945eV)。在一定條件下NVO和NV —可以相互轉(zhuǎn)換，尤其是使用高功率激光泵浦時，NVtl和NV一之間的轉(zhuǎn)換非常快。室溫下NV色心發(fā)射光譜可見譜比較寬(600mn-800mn)，這是因為空穴的存在使NV色心具有較大的振動能量，從而導(dǎo)致較寬的聲子邊帶。與普通染料或者膠質(zhì)量子點，如CdSe (硒化鎘)，NV色心發(fā)光穩(wěn)定,無光學(xué)漂白(bleaching)和閃爍(blinking)的效應(yīng)，這使得其在長時間測量，穩(wěn)定的單光子源方面非常有用。同樣NV色心的吸收譜也比較寬，使用波長大于500納米的激光都可以比較有效的激發(fā)。NV色心在室溫下很寬的發(fā)射譜，導(dǎo)致光源喪失相干性，對一些應(yīng)用不利；但是低溫條件可以使NV色心的大部分能量都集中在零聲子線上，具有很窄的譜寬。總結(jié)來說，NV色心的缺點在于能級壽命比較長(幾十納秒)，所以發(fā)光效率并不是非常出眾。還有就是發(fā)光波長固定，不利于量子通信擴展性需求。
[0004]2)單個束縛原子。單個原子體系由于所處的環(huán)境非常純凈，沒有其他缺陷或聲子的影響，單光子發(fā)射的純凈度很高，而且原子的能級壽命有的可以很短，因而發(fā)光效率也很高。但是自然界的中的原子都是以大團原子簇的形式出現(xiàn)的，想要捕獲單個原子并穩(wěn)定的束縛住它是非常困難的。現(xiàn)在一般采用磁光阱的方法來產(chǎn)生單原子光源。磁光阱是一種囚禁中性原子的有效手段。它由三對兩兩相互垂直.具有特定偏振組態(tài)井且負失諧的對射激光束形成的三維空間駐波場和反向亥姆雹誼線圈產(chǎn)生的梯度磁場構(gòu)成。磁場的零點與光場的中心重合，負失諧的激光對原子產(chǎn)生阻尼。梯度磁場與激光的偏振相結(jié)合產(chǎn)生了對原子的束縛。這樣就在空間對中性原子構(gòu)成了一個帶阻尼作用的簡諧勢阱?？梢钥闯鱿胍苽鋯卧訂喂庾釉矗枰獦?gòu)建一個非常昂貴和復(fù)雜的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)毫無可集成性可言。而且這種束縛是非常不穩(wěn)定的，原子很快就會跑掉，需要從新操作捕獲新的單原子。
[0005]3)衰減激光。由于一直缺乏穩(wěn)定可靠并且效率高的通訊波段(1550納米)單光子源，現(xiàn)在的量子通信中一般使用衰減激光替代。實際使用中就是把經(jīng)典激光脈沖衰減到平均每個脈沖只有0.1個光子級別，從而大部分激光脈沖是不含光子，只有個別脈沖含有I個光子，還有更少量的含有多個光子。激光脈沖處于相干態(tài)上，也就是說光子數(shù)分布為泊松分布，而激光的衰減是線性的，衰減后的光脈沖光子數(shù)分布依然為泊松分布，分布性質(zhì)沒有任何改變。而單光子態(tài)是一種亞泊松分布，所以通過衰減得到的量子光源不是真正的單光子源，給量子通信中的安全性帶來隱患。
[0006]另一方面，量子變頻技術(shù)這些年得到了很大的發(fā)展。所謂的量子變頻，就是在改變輸出光子頻率的同時，保持輸入之前的量子態(tài)。目前為止，比較成熟的量子變頻技術(shù)是基于原子系綜的頻率變換，即原子吸收一個光子，發(fā)射出另一個頻率不同的光子。這種方法的缺點是輸入輸出光子的頻率必須和原子的能級吻合，同時線寬也必須很窄。
[0007]另外，為了解決單光子長距離光纖通訊問題，某一科研小組最先實現(xiàn)了把量子點發(fā)射的單光子頻率轉(zhuǎn)換到1550納米通訊波段。在他們的方案中，量子點的發(fā)光在911納米。為了把它轉(zhuǎn)換到1560納米，他們使用了一束和量子點發(fā)光相同位置的鎖模脈沖激光與另一束1560納米的連續(xù)激光通過周期性極化鈮酸鋰晶體差頻后得到了一束2.2微米的泵浦光，再用這束泵浦光與911納米的單光子在周期性極化鈮酸鋰晶體波導(dǎo)中相互作用，把單光子的波長轉(zhuǎn)換到了 1560納米。另一個小組通過搭建一套光學(xué)參量放大系統(tǒng)，把一束很強的532納米連續(xù)激光轉(zhuǎn)換到了 1550納米，然后作為泵浦光把量子點發(fā)出的711納米的單光子轉(zhuǎn)換到了 1313納米。但是，由于該科研小組應(yīng)用到了多套昂貴和復(fù)雜的大型激光系統(tǒng)，所以對于實際量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來說成本較高，小型化和集成性也很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，其兼容性較高且成本較低。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，該裝置包括:單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)；
[0011]其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)；
[0012]所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；
[0013]所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。
[0014]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，將單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)出的單光子脈沖與另一束由泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)出的泵浦光在量子變頻系統(tǒng)中產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生1550納米通訊波段的單光子，進而獲得可波分復(fù)用的單光子源；該上述過程所采用的設(shè)備電光器件成本低且可集成性好，與現(xiàn)有的光纖通訊系統(tǒng)有非常良好的兼容性，得到單光子源的純凈度更高?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0016]圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明實施例二提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的工作示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明實施例二提供的一種775納米量子點的熒光譜線的示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明實施例二提供的一種周期性極化鈮酸鋰變頻晶體結(jié)構(gòu)的的示意圖；
[0020]圖5為本發(fā)明實施例二提供的一種泵浦光強度與轉(zhuǎn)換效率和信噪比的關(guān)系的示意圖；
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0022]實施例一
[0023]圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的示意圖。如圖1所示，該裝置主要包括:
[0024]單光子產(chǎn)生系統(tǒng)11、泵浦光同步系統(tǒng)12及量子變頻系統(tǒng)13 ；
[0025]其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)11，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)12，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)13 ；
[0026]所述泵浦光同步系統(tǒng)12，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；
[0027]所述量子變頻系統(tǒng)13，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。
[0028]進一步的，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)11包括:脈沖激光器111、光學(xué)分束器112、第一顯微物鏡113、低溫光學(xué)腔114與第二顯微物鏡115 ；
[0029]所述脈沖激光器111，用于產(chǎn)生預(yù)定波長的激光脈沖；
[0030]光學(xué)分束器112，用于對所述激光脈沖進行分束處理；
[0031]所述第一顯微物鏡113，用于將光學(xué)分束器112反射的預(yù)定波長激光脈沖聚焦在所述低溫光學(xué)腔114中的量子點樣品上；
[0032]所述第二顯微物鏡115，用于將所述量子點樣品發(fā)出的單光子脈沖發(fā)送至所述量子變頻系統(tǒng)13。
[0033]進一步的，所述泵浦光同步系統(tǒng)12包括:光電倍增器121、半導(dǎo)體激光器122、光開關(guān)123與摻餌光纖放大器124 ；[0034]其中，所述光電倍增器121，用于接收所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的激光脈沖，并產(chǎn)生與所述激光脈沖相同重復(fù)頻率的電脈沖；
[0035]所述半導(dǎo)體激光器122，用于輸出連續(xù)可調(diào)諧的激光脈沖；
[0036]所述光開關(guān)123，用于將所述半導(dǎo)體激光器122輸出的激光脈沖調(diào)制成與所述光電倍增器121發(fā)送的電脈沖同步的泵浦光；
[0037]所述摻館光纖放大器124,用于將所述光開關(guān)123輸出的泵浦光放大后輸出。
[0038]進一步的，所述量子變頻系統(tǒng)13包括:雙色鏡131、周期性極化鈮酸鋰晶體晶體132及波分復(fù)用器133 ；
[0039]其中，所述雙色鏡131，用于將所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)11發(fā)送的單光子脈沖，以及所述泵浦光同步系統(tǒng)12發(fā)送的泵浦光合成為一束激光脈沖；
[0040]所述周期性極化鈮酸鋰晶體132，用于對所述雙色鏡131發(fā)送的所述激光脈沖進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源；
[0041]所述波分復(fù)用器133，用于根據(jù)所述通訊波段的單光子源產(chǎn)生可波分復(fù)用單光子源。
[0042]本發(fā)明實施例將單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)出的單光子源與另一束由泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)出的泵浦光在量子變頻系統(tǒng)中產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生同樣通訊波段的單光子，進而獲得可波分復(fù)用的單光子源；該上述過程所采用的設(shè)備電光器件成本低且可集成性好，與現(xiàn)有的光纖通訊系統(tǒng)有非常良好的兼容性。
[0043]實施例二
[0044]為了進一步介紹本發(fā)明，本發(fā)明實施例例舉具體的數(shù)值對該裝置中的元件參數(shù)進行介紹；需要說明的是，所例舉的元件參數(shù)數(shù)值僅為便于理解本發(fā)明，并非構(gòu)成限制；在實際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)需求或經(jīng)驗采用不同參數(shù)的元件。
[0045]如圖2所示，為本發(fā)明實施例提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的工作示意圖。如圖2所示,其主要包括:
[0046]I) 775納米單光子產(chǎn)生系統(tǒng)21。
[0047]其主要包括:脈沖激光器211，光學(xué)分束器212，第一長工作距離顯微物鏡213，放置好量子點樣品的低溫光學(xué)腔214，第二長工作距離顯微物鏡215。
[0048]本實施例中，脈沖激光器211的參數(shù)可以為:輸出激光脈沖的波長為400納米，輸出激光脈沖重復(fù)頻率76MHz，激光脈沖寬度為130飛秒，輸入功率2毫瓦特。輸出光束經(jīng)過單模光纖整形后，變?yōu)榧兊母咚鼓Ｊ焦馐?，?jīng)過顯微物鏡聚焦后光斑可以接近衍射極限，直徑約為I微米。
[0049]本實施例中，光學(xué)分束器212透射與反射比可以為1:9，將激光器輸出的90%功率反射后用于泵浦同步，10%用來激發(fā)量子點樣品產(chǎn)生熒光(單光子脈沖)。光學(xué)分束器212的形狀可以為立方體，邊長為25.4毫米，表面度400納米增透膜。
[0050]本實施例中，透過光學(xué)分束器212的激光由第一長工作距離顯微物鏡213聚焦在樣品上。該顯微物鏡的參數(shù)可以為:20倍平場復(fù)消色差物鏡，工作距離30.8毫米，焦距長10毫米，數(shù)值孔徑0.29，景深3.5微米，視場01.2毫米(024目鏡)，分辨率I微米，波段400?1200納米。
[0051 ] 本實施例中，光學(xué)低溫腔214可以通過輸入液氦冷卻到8K，腔長為50毫米，腔兩側(cè)的光學(xué)窗口直徑為25.4毫米。
[0052]該光學(xué)低溫腔214中的量子點樣品可以為生長在GaAs (砷化鎵)納米線上的AlGaAs (鋁鎵砷)量子點。由于不同納米線之間沒有二維電子氣相互作用，這種結(jié)構(gòu)的量子點樣品在使用能帶隙上的激光激發(fā)時，單光子信號的信噪比要好于普通的樣品。由于納米線上表面態(tài)的存在，會使量子點發(fā)光譜線展寬，在一系列成功的優(yōu)化之后，這樣的樣品的譜線展寬已經(jīng)達到?0.15納米的量級，如圖3所示，為775納米量子點的熒光譜線。這一方面保證了與周期性極化鈮酸鋰晶體晶體的轉(zhuǎn)換帶寬相匹配，另一方面也可以保證轉(zhuǎn)換后的光子在波分復(fù)用時不會從多個通道出射。
[0053]本實施例中，量子點發(fā)出的熒光由第二長工作距離顯微物鏡215收集。該顯微物鏡的參數(shù)可以為:50倍平場消色差物鏡，齊焦距離95毫米，工作距離20.5毫米，焦距長4毫米，數(shù)值孔徑0.42，景深1.6微米,視場00.48毫米(024目鏡)，分辨率0.7微米。
[0054]2)泵浦光同步系統(tǒng)22。
[0055]其主要包括:光電倍增器221,半導(dǎo)體激光器222,光開關(guān)223,摻館光纖放大器224。
[0056]本實施例中，被光學(xué)分束器212反射的脈沖激光(與所述單光子脈沖的頻率一致)照射在光電倍增器221上，產(chǎn)生與激光脈沖同重復(fù)頻率的電脈沖。該光電倍增器響應(yīng)速度最高可達1GHz，在400-1000納米波長范圍的暗光應(yīng)用中具有出色的性能。該光電倍增器采用了溫度補償電路，將偏壓調(diào)節(jié)在約150VDC，使其工作在擊穿電壓附近，從而使光電倍增器在整個工作溫度范圍內(nèi)保持高增益穩(wěn)定性。
[0057]本實施例中，半導(dǎo)體激光器222為連續(xù)可調(diào)諧激光器。輸出激光線寬可以為5兆赫茲，功率為50毫瓦特，輸出波長可以在1490 - 1580納米之間調(diào)節(jié)。
[0058]本實施例中，光開關(guān)223可以為響應(yīng)帶寬20G赫茲的電光調(diào)制器，調(diào)制波段為1500 - 1600納米，半波電壓為4.5伏特。當(dāng)光電倍增器212輸出的電脈沖作用于光開關(guān)223上時，該光開關(guān)223將半導(dǎo)體激光器212輸出的連續(xù)激光斬成脈寬小于I納秒的脈沖激光。
[0059]本實施例中，摻餌光纖放大器224將經(jīng)過光開關(guān)223的脈沖激光放大，例如放大30dbm。它的工作波長可以為1533-1565納米，輸入和輸出端均為保偏光纖。
[0060]3)量子變頻系統(tǒng)。
[0061]其主要包含雙色鏡231，周期性極化鈮酸鋰晶體232，波分復(fù)用器233。
[0062]本實施例中，雙色鏡231將量子點的熒光和泵浦光合成一路。該雙色鏡231可以工作在45度，對于830納米以上的光反射，830納米以下的光可以透過。
[0063]本實施例中，周期性極化鈮酸鋰晶體232可以為Y軸向切割，長度為50毫米，表面刻蝕有三條波導(dǎo)，如圖4所示。由雙色鏡10合成一路的量子點熒光和泵浦激光同時耦合到其中一條波導(dǎo)中發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生通訊波段的單光子。
[0064]本實施例中，波分復(fù)用器233可以為I進8出的粗波分復(fù)用器，工作波長為1270?1610納米，隔離度大于20dB。變頻產(chǎn)生的單光子源的波長可以通過調(diào)節(jié)周期性極化鈮酸鋰晶體232的溫度改變，不同波長的單光子源從波分復(fù)用器233的不同通道輸出，從而獲得可波分復(fù)用單光子源。
[0065]本發(fā)明實施例中的量子變頻系統(tǒng)，將發(fā)光波長位于775納米附近的量子點發(fā)出的熒光，與另外一束波長在1550納米波段的經(jīng)典泵浦激光在周期性極化鈮酸鋰晶體中產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換。其中，差頻過程產(chǎn)生的光子波長也處于1550納米附近，比如一個775納米光子和一個1560納米激光作用就可以產(chǎn)生波長在1540納米的光子。換言之，在本發(fā)明中，只需要使用一個波長可調(diào)諧的1550納米激光器，與單光子作用后即可產(chǎn)生同樣通訊波段的單光子。1550納米激光器和相關(guān)光纖，電光器件都是經(jīng)典光纖通訊中所廣泛使用的，技術(shù)非常成熟而且價格低廉。本發(fā)明與現(xiàn)有的光纖通訊系統(tǒng)有非常良好的兼容性，成本低且可集成性好。
[0066]進一步的，本發(fā)明實施例利用了獨創(chuàng)的同步泵浦系統(tǒng)，使得輸入到周期性極化鈮酸鋰晶體中的泵浦光脈沖和單光子脈沖相同步。由于在周期性極化鈮酸鋰中發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換的一個重要條件是單光子脈沖與泵浦光在時間上的重合性?，F(xiàn)有技術(shù)的其他類似的頻率轉(zhuǎn)換方案中，為了保證這種重合性，泵浦光一般為連續(xù)的強激光，所以單光子脈沖不管在任何時間點都可以產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換。但是這樣做的一個巨大缺點是，其中大部分的泵浦光對頻率轉(zhuǎn)換都沒有貢獻，只會帶來更強的噪聲。從圖5所示的泵浦光強度與轉(zhuǎn)換效率和信噪比的關(guān)系中可以看出，轉(zhuǎn)換效率在很大范圍內(nèi)是和泵浦光強度成正比的，但是泵浦光增強會帶來信噪比的下降，為了保證信噪比，在一定程度上就必須犧牲轉(zhuǎn)換效率。而在此發(fā)明中，由于利用了光開關(guān)將泵浦光斬成了與單光子脈沖同步的脈沖激光，將對頻率轉(zhuǎn)換無貢獻的泵浦光完全濾除，因而輸入到周期性極化鈮酸鋰晶體中的泵浦光功率降低到原先的10%以下，從而明顯提高了信噪比。
[0067]進一步的，本發(fā)明利用了周期性極化鈮酸鋰晶體轉(zhuǎn)換波長對于溫度的敏感性，來控制輸出通訊波段單光子的波長，實現(xiàn)可波分復(fù)用的量子光源。對于目前實際應(yīng)用中的單光子源來說，其波長都是唯一確定的，因為無論是固態(tài)還是原子體系，它們的能級結(jié)構(gòu)都是固定的。即便通過外加電場和磁場等方法，可改變的范圍也是非常小。具體對于量子點來說，每一個量子點發(fā)光波長都是基本不可改變的。雖然不同的量子點發(fā)光波長不相同，會有幾十個納米的分布范圍，但是這種分布是完全隨機的，而且不連續(xù)。而對于多方量子通訊來說，波長可調(diào)諧也是一個重要的需求。例如，使用波分復(fù)用的量子路由器，來實現(xiàn)多節(jié)點間的量子秘鑰分發(fā)。這種多波長的波分復(fù)用，是通過幾臺不同工作波長的激光器之間的切換來實現(xiàn)的。對于量子點單光子源，如果想變換波長，只有事先選擇好不同發(fā)光波長的量子點樣品，并搭建多套共聚焦顯微系統(tǒng)。由于量子點分布位置和發(fā)光波長的隨機性，這樣做的經(jīng)濟成本和復(fù)雜程度都是很聞的。
[0068]總而言之，在本發(fā)明中，我們將利用半導(dǎo)體量子點發(fā)出的775納米單光子，通過量子變頻實現(xiàn)1550納米波段可波分復(fù)用單光子源。通過一系列創(chuàng)新的設(shè)計，使得本發(fā)明和之前類似設(shè)計相比，在簡化了裝置節(jié)省了成本的同時，大大提高了轉(zhuǎn)換效率和信噪比。
[0069]所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明，實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0070]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括:單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)； 其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)； 所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光； 所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)包括:脈沖激光器、光學(xué)分束器、第一顯微物鏡、低溫光學(xué)腔與第二顯微物鏡； 所述脈沖激光器，用于產(chǎn)生預(yù)定波長的激光脈沖； 光學(xué)分束器，用于對所述激光脈沖進行分束處理； 所述第一顯微物鏡，用于將光學(xué)分束器反射的預(yù)定波長激光脈沖聚焦在所述低溫光學(xué)腔中的量子點樣品上； 所述第二顯微物鏡，用于將所述量子點樣品發(fā)出的單光子脈沖發(fā)送至所述量子變頻系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述泵浦光同步系統(tǒng)包括:光電倍增器、半導(dǎo)體激光器、光開關(guān)與摻餌光纖放大器； 其中，所述光電倍增器，用于接收所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的激光脈沖，并產(chǎn)生與所述激光脈沖相同重復(fù)頻率的電脈沖； 所述半導(dǎo)體激光器，用于輸出連續(xù)可調(diào)諧的激光脈沖； 所述光開關(guān)，用于將所述半導(dǎo)體激光器輸出的激光脈沖調(diào)制成與所述光電倍增器發(fā)送的電脈沖同步的泵浦光； 所述摻館光纖放大器，用于將所述光開關(guān)輸出的泵浦光放大后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述量子變頻系統(tǒng)包括:雙色鏡、周期性極化鈮酸鋰晶體及波分復(fù)用器； 其中，所述雙色鏡，用于將所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖，以及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光合成為一束激光脈沖； 所述周期性極化鈮酸鋰晶體，用于對所述雙色鏡發(fā)送的所述激光脈沖進行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源； 所述波分復(fù)用器，用于根據(jù)所述通訊波段的單光子源產(chǎn)生可波分復(fù)用單光子源。
【文檔編號】H04B10/508GK103634051SQ201310641893
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳耕, 李傳鋒 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)