[發(fā)明專利]一種基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的電控式偏振糾纏態(tài)產(chǎn)生芯片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010981095.5
• 申請(qǐng)日: 2020-09-17
• 公開（公告）號(hào): CN112068336B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐平;孫昌偉;任坤乾;龔彥曉;謝臻達(dá);祝世寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G02F1/05
• 分類號(hào): G02F1/05;G02F1/035;G02F1/01;G02B6/125;G02B27/28;G02B6/12;G02F1/355;G02F1/365
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的電控式偏振糾纏態(tài)產(chǎn)生芯片，其特征是，包括依次相連的泵浦光分束區(qū)域、第一周期極化區(qū)域、波導(dǎo)光路偏振分束器、動(dòng)態(tài)電控光子延時(shí)器；泵浦光分束區(qū)域由Y分束器和相位調(diào)制器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的分束和相對(duì)相位調(diào)控或調(diào)制；第一周期極化區(qū)域是由分開的兩個(gè)波導(dǎo)上的周期性反轉(zhuǎn)鐵電疇組成，在兩個(gè)波導(dǎo)中分別實(shí)現(xiàn)基于二階非線性的參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)；相位調(diào)制器是在波導(dǎo)上方制作電極，通過施加電場(chǎng)來改變波導(dǎo)的折射率進(jìn)而調(diào)控光子的相位；波導(dǎo)光路偏振分束器是利用波導(dǎo)多模干涉實(shí)現(xiàn)不同偏振光子的分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)波導(dǎo)中產(chǎn)生光子對(duì)的偏振分束操作；動(dòng)態(tài)電控光子延時(shí)器是在第二周期極化區(qū)域的波導(dǎo)兩側(cè)施加電場(chǎng)周期性改變鈮酸鋰光軸方向進(jìn)而調(diào)控光子的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子片上群速度延遲時(shí)間的調(diào)控，配置電控光路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種不同的偏振態(tài)輸出結(jié)果，得到四個(gè)偏振糾纏態(tài)的輸出；在鈮酸鋰鐵電材料為基質(zhì)材料的單片晶體上加工出波導(dǎo)干涉光路并對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行疇反轉(zhuǎn)以及電光控制，實(shí)現(xiàn)四個(gè)偏振糾纏態(tài)的產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)切換；整個(gè)芯片依次分為泵浦激光處理區(qū)域、第一周期極化區(qū)域，偏振分束區(qū)域和動(dòng)態(tài)電控光子延時(shí)器四個(gè)區(qū)域，區(qū)域Ⅰ是對(duì)經(jīng)典泵浦激光的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的分束和相位調(diào)制；區(qū)域Ⅱ是第一周期極化區(qū)域，也稱非線性區(qū)，將上下兩路泵浦光轉(zhuǎn)化為偏振正交的光子對(duì)，光子對(duì)同時(shí)從上波導(dǎo)光路或下波導(dǎo)光路產(chǎn)生；區(qū)域Ⅲ是對(duì)糾纏光子對(duì)的處理，在波導(dǎo)偏振分束器上實(shí)現(xiàn)糾纏光子的多模干涉進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏振分離，得到的光子態(tài)；區(qū)域Ⅳ是動(dòng)態(tài)電控光子延時(shí)器，在第二周期極化區(qū)域的波導(dǎo)兩側(cè)施加電場(chǎng)周期性改變鈮酸鋰光軸方向進(jìn)而調(diào)控光子的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振光子的時(shí)間延遲控制，通過這個(gè)電控延遲與區(qū)域I中電控泵浦光相位，實(shí)現(xiàn)芯片上任意偏振糾纏態(tài)的輸出，即和包括四個(gè)Bell基和的輸出；

具體結(jié)構(gòu)由波導(dǎo)光路、第一與第二周期極化區(qū)域、干涉光路、電光調(diào)控器基本功能單元構(gòu)成；設(shè)有光纖(2)將泵浦激光輸入到耦入波導(dǎo)(3)；泵浦激光然后經(jīng)波導(dǎo)Y分束器分別輸入到另外兩根波導(dǎo)(4、5)、再經(jīng)由彎曲波導(dǎo)分別轉(zhuǎn)至兩根平行的泵浦光單模波導(dǎo)(6、7)；所述波導(dǎo)(3、4、5、6、7)都是針對(duì)泵浦激光波長(zhǎng)的單模波導(dǎo)；之后設(shè)有過渡波導(dǎo)(11、12)分別將泵浦光單模波導(dǎo)(6、7)逐漸增寬至參量光波長(zhǎng)的單模波導(dǎo)(13、14)；在泵浦光單模波導(dǎo)(6、7)上有三個(gè)電極(8、9、10)，通過鈮酸鋰Z方向電光效應(yīng)來調(diào)節(jié)兩路泵浦光之間的相位差；單模波導(dǎo)(13、14)中設(shè)有第一周期極化區(qū)域(15)，將泵浦光轉(zhuǎn)化為參量光子對(duì)；之后單模波導(dǎo)(13、14)中產(chǎn)生的光子對(duì)都到達(dá)波導(dǎo)偏振分束器平行波導(dǎo)(16、17)；偏振分束后的偏振糾纏光子對(duì)輸出到第一與第二直條波導(dǎo)(18、19)中、再經(jīng)由彎曲拐彎波導(dǎo)后到達(dá)第三與第四直條波導(dǎo)(20、21)中；第三與第四直條波導(dǎo)(20、21)包含第二周期極化區(qū)域共三個(gè)周期極化區(qū)(30、31、32)，第三直條波導(dǎo)(20)兩側(cè)有六個(gè)電極(22、23、24、25、28、29)，第四直條波導(dǎo)(21)兩側(cè)有兩個(gè)電極(26、27)，第三、第四直條波導(dǎo)(20、21)上設(shè)有電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)和片上時(shí)間延遲的動(dòng)態(tài)調(diào)控；第三直條波導(dǎo)上設(shè)置串聯(lián)第二周期極化區(qū)域中的二個(gè)周期極化區(qū)(30、32)、第四直條波導(dǎo)上設(shè)置第二周期極化區(qū)域中的一個(gè)周期極化區(qū)(31)，第二周期極化區(qū)域中的三個(gè)周期極化區(qū)(30、31、32)極化周期相同，施加Y方向電場(chǎng)，鈮酸鋰折射率橢球發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)，對(duì)特定波長(zhǎng)光子實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換，并經(jīng)片上自由傳播直條波導(dǎo)，彌補(bǔ)群速度失配引入的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)片上時(shí)間延遲的動(dòng)態(tài)調(diào)控；

當(dāng)制備的光子態(tài)，需要將第三直條波導(dǎo)(20)電極(22、24)和第四直條波導(dǎo)(21)電極(26)電壓設(shè)置為U伏，其它電極(23、25、27、28、29)均接地；配合區(qū)域Ⅰ對(duì)泵浦激光的處理，泵浦光單模波導(dǎo)(6、7)上電極(8)施加2π相位以內(nèi)的某個(gè)電壓，另二個(gè)電極(9、10)接地，調(diào)控泵浦激光相對(duì)相位φ，實(shí)現(xiàn)芯片上的輸出；

當(dāng)制備的光子態(tài)，需要將第三直條波導(dǎo)(20)上第二周期極化區(qū)域中二個(gè)周期極化區(qū)中二個(gè)電極(22、28)電壓設(shè)置為2U伏，另有四個(gè)電極(23、24、25、29)接地；第四直條波導(dǎo)上一個(gè)電極(26)電壓設(shè)置為U伏，另一電極(27)接地；配合區(qū)域Ⅰ是對(duì)泵浦激光的處理，泵浦光單模波導(dǎo)(6、7)上電極(8)施加2π相位以內(nèi)的某個(gè)電壓，另二個(gè)電極(9、10) 接地，調(diào)控泵浦激光相對(duì)相位φ，實(shí)現(xiàn)芯片上的輸出。