案例分享|基于Sagnac-ppln的寬光譜偏振糾纏光子源

在之前的文章《案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通信波段糾纏光子源的技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)價(jià)值》，我們分享了英國(guó)Covesion公司展示的基于MgO:PPLN波導(dǎo)的糾纏光子演示裝置（如下圖）。在Stage 1中通過(guò)PPLN波導(dǎo)高效倍頻產(chǎn)生780nm激光。在Stage 2中，將Type-0型PPLN波導(dǎo)置于一個(gè)薩格納克（Sagnac）干涉儀配置中，通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，并轉(zhuǎn)換為偏振糾纏自由度。

對(duì)于PPLN來(lái)說(shuō)，Type-0準(zhǔn)相位匹配（QPM）可以利用鈮酸鋰晶體的Max非線(xiàn)性系數(shù)（d33），能夠?qū)崿F(xiàn)高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。SPDC中所產(chǎn)生的信號(hào)光子、閑頻光子與泵浦光子偏振態(tài)是一致的，而對(duì)于需要偏振糾纏的應(yīng)用來(lái)說(shuō)則需要一些小小的轉(zhuǎn)換，而秘訣就在圖中。

在上圖Sagnac干涉儀的一臂中插入了半波片（有時(shí)會(huì)使用雙波長(zhǎng)半波片DHWP）。泵浦光經(jīng)PBS分束后產(chǎn)生s光和p光，分別進(jìn)入Sagnac配置環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较颉．?dāng)然對(duì)于PPLN波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，僅e光輸入可實(shí)現(xiàn)高效SPDC，因此需要插入半波片，將泵浦光偏振方向正交的那一臂的偏振態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣在兩個(gè)方向上均能實(shí)現(xiàn)高效光子對(duì)產(chǎn)生。此外，在PPLN輸出的過(guò)程中，逆時(shí)針?lè)较虻募m纏光子對(duì)會(huì)再度經(jīng)過(guò)半波片對(duì)偏振態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，zui終與順時(shí)針原偏振方向的光子對(duì)在PBS合束，形成偏振糾纏態(tài) 

當(dāng)然在PPLN所能做的不僅僅只有這些，由于材料色散的原因，SPDC在高效產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的同時(shí)，產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)在光譜上分布更廣，可用于波分復(fù)用(WDM)、量子計(jì)量以及時(shí)間-能量QKD，是寬帶糾纏源應(yīng)用的理想選擇。

當(dāng)然色散也會(huì)使得QPM難度變高，英國(guó)Covesion公司憑借晶體的設(shè)計(jì)、制造以及相關(guān)溫控與電路技術(shù)，穩(wěn)穩(wěn)駕馭PPLN，滿(mǎn)足客戶(hù)的各項(xiàng)需求。下面讓我們具體看看幾個(gè)案例：

C/L波段可調(diào)諧偏振糾纏光子對(duì)源

來(lái)自印度理工學(xué)院德里分校物理系量子光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的 Joyee Ghosh團(tuán)隊(duì)與2025年1月在專(zhuān)攻量子科學(xué)與技術(shù)的期刊APL Quantum上發(fā)表了題為“Telecom source of tunable polarization-entanglement distribution up to 100-km for multi-user QKD over metro-area fiber-optic networks"的文章，介紹了一種用于量子通信網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)諧偏振糾纏光子對(duì)源的研究，并可以在通信C波段與L波段產(chǎn)生多達(dá)14對(duì)偏振糾纏光子對(duì)，并通過(guò)波分復(fù)用（WDM）技術(shù)分配給多用戶(hù)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)（QKD）。

下圖中是本文中為多用戶(hù)生成和表征偏振糾纏光子對(duì)的實(shí)驗(yàn)裝置。其中左上角即SPDC的Sagnac配置環(huán)路。在全光纖的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)光纖扭轉(zhuǎn)90°（紫色箭頭）起到類(lèi)似半波片的作用。其中SPDC的MgO:PPLN波導(dǎo)由英國(guó)Covesion公司提供（WGCO-1550-40，已耦合光纖尾纖），光子對(duì)從順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛏傻母怕收穹谳斎牍饫w偏振分束器（FPBS）后在同一模式下相加，從而產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱(chēng)的偏振糾纏態(tài)。

由于是非簡(jiǎn)并的SPDC，產(chǎn)生的信號(hào)光（較短波長(zhǎng)，1520~1550nm）位于C波段，而閑頻光（較長(zhǎng)波長(zhǎng)，1550~1580nm）則位于L波段，可以通過(guò)C-L頻帶分配器（band splitter）來(lái)進(jìn)行分離。如此寬光譜的SPDC非常適用于通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)將光子對(duì)分配到多個(gè)不同的波長(zhǎng)通道中，如下圖中C37-C50以及對(duì)應(yīng)的C32-19。

而對(duì)于標(biāo)題中的“可調(diào)諧"指的是貝爾態(tài)之間的切換，由C-L頻帶分配器后的光纖偏振控制器（PC）引入信號(hào)光和閑頻光之間的相位差，對(duì)貝爾態(tài)進(jìn)行幺正變換，轉(zhuǎn)換為另一個(gè)貝爾態(tài)。

在這所有14個(gè)通道對(duì)中，糾纏態(tài)的保真度均高于89%，zui高可達(dá)95%；并發(fā)度均高于0.8，zui高可達(dá)0.91。此外，所有通道對(duì)的S參數(shù)均大于2.56，顯著違反了CHSH-Bell不等式，表明PPLN產(chǎn)生的糾纏質(zhì)量很高。在實(shí)際測(cè)量的100公里光纖傳輸糾纏光子對(duì)的實(shí)驗(yàn)中，偏振態(tài)保真度仍高于85%，適用于大都市區(qū)域的多用戶(hù)量子密鑰分發(fā)（QKD）和通信。

GHz脈沖糾纏光子源

Meritxell Cabrejo-Ponce課題組（德國(guó)耶拿大學(xué)及弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所）在國(guó)際期刊 Quantum Science and Technology 上發(fā)表了一項(xiàng)題為“GHz-pulsed source of entang LED photons for reconfigurable quantum networks"的研究成果。文章介紹了一種新型的GHz脈沖糾纏光子源，具有多功能性以及高靈活性。

該研究同樣是基于全光纖結(jié)構(gòu)的Sagnac干涉儀糾纏光子源，能夠在CW和高達(dá)GHz的脈沖模式下工作，可以適應(yīng)不同的量子協(xié)議需求。但有趣的是在環(huán)路中放置了兩個(gè)PPLN波導(dǎo)（Covesion MSHG1550*），實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)非線(xiàn)性過(guò)程，在順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较驅(qū)?560nm泵浦光先SHG再SPDC，zui終產(chǎn)生偏振糾纏光子對(duì)。

*MSHG1550該型號(hào)實(shí)則為塊體晶體的，Covesion可以提供光纖耦合封裝的塊體模塊也有多款波導(dǎo)封裝類(lèi)型可選。

這篇文章同樣借助PPLN來(lái)產(chǎn)生寬帶糾纏光子對(duì)。zui高的SHG轉(zhuǎn)換效率是通過(guò)調(diào)節(jié)波導(dǎo)#1和#2的溫度實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)在大約1560 nm的簡(jiǎn)并波長(zhǎng)附近產(chǎn)生了寬帶光子對(duì)。SPDC光譜覆蓋了C波段及更寬的范圍（從1530 nm到1590 nm），波導(dǎo)#1和#2的半高全寬分別為58 nm和68 nm，如下圖所示。

值得一提的是在Sagnac干涉儀中，存在一個(gè)主動(dòng)態(tài)控制模塊（Active state control）。和上一篇通過(guò)PC調(diào)制相位不同，本文中以電光調(diào)制器（EOM）和延遲線(xiàn)，分別對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的光子進(jìn)行相位調(diào)控，不同的EOM調(diào)制電壓可以實(shí)現(xiàn)不同的量子態(tài)之間切換，更加靈活：

例如兩種貝爾態(tài)：

以及在量子秘密共享（QSS）中不可少的量子態(tài)：

文章zui終展現(xiàn)了不同PPLN泵浦配置下的貝爾態(tài)保真度均超過(guò)0.99，并且具有高亮度，每納米帶寬發(fā)射出數(shù)百萬(wàn)個(gè)光子對(duì)。即使在主動(dòng)態(tài)控制模塊進(jìn)行快速相位切換時(shí)，保真度也能達(dá)到95%。憑借PPLN產(chǎn)生的寬SPDC光譜特性，光譜帶寬超過(guò)60nm，這為通過(guò)波長(zhǎng)解復(fù)用增加用戶(hù)數(shù)量或在實(shí)際場(chǎng)景中主動(dòng)分配所需的帶寬提供了可能性，特別適用于未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信應(yīng)用。

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)的公司，專(zhuān)注于高效非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開(kāi)發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為PPLN晶體設(shè)計(jì)和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿(mǎn)足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國(guó)Covesion在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的銷(xiāo)售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問(wèn)題,歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們!

參考文獻(xiàn)：

1. Yadav, Vikash Kumar, Vivek Venkataraman, and Joyee Ghosh. "Telecom source of tunable polarization-entanglement distribution up to 100-km for multi-user QKD over metro-area fiber-optic networks." APL Quantum 2.1 (2025).

2. Cabrejo-Ponce, Meritxell, et al. "GHz-pulsed source of entangled photons for reconfigurable quantum networks." Quantum Science and Technology 7.4 (2022): 045022.

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