一种通信波段单光子源的产生方法 【技术领域】
本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及一种通过频率转换获取可用于光纤量子保密通信的单光子源的方法，获得光纤通信波段的单光子源。
背景技术
量子保密通信是基于光量子的密钥通信，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到信息而不被发现，因此在量子保密通信中，密钥通信是绝对安全的，其中作为信息载体的单光子至关重要。
光通信波段指的是波长为1.3μm和1.5μm左右的近红外波段，因为与其它波段相比，这两个波段的光受光纤损耗和色散的影响最小，特别适用于微弱光信号在光纤中长距离传输。
现有量子保密通信系统中用以加载信息地单光子大多是通过对弱激光脉冲进行衰减之后获得的，从而使光在离开密钥发送方时衰减到单光子水平，一般衰减至每脉冲平均含有0.1个光子，从而确保较低的多光子脉冲，保证密钥通信的绝对安全，但是这样一来有效光子产生效率就很低，且出现多光子的情况占总的出光情况的概率并不随之改变，限制了量子保密通信的极限距离和密钥生成速率。
量子保密通信要发展就必须使用有效的单光子源。目前有4类真单光子源已在实验室中实现了。分别采用量子阱、量子点、光泵浦色心晶体、参量下转换的方法。
采用量子阱的方法是利用PN半导体结构，PN结两端都有量子阱，而且其半导体层很窄，在施加很小电压的情况下，就会有电子空穴分别进入P区和N区，从而复合产生单光子。但是采用量子阱的方法，要求工作温度非常低，在mK(千分之一开尔文)量级，不易实现；而且其产生的光的方向性较差。
采用量子点方法，量子点可以看成利用化学蒸气沉淀等方法所合成的“人造”原子，在量子点间密度足够小的情况下，可以保证泵浦光照射时只激发一个量子点，从而只发出一个光子，通常采用量子点的方法时，都会用微腔来压窄线宽，所以用量子点的方法获取的单光子通常线宽比较窄，同时实验装置相对比较复杂。
采用光泵浦色心晶体方法，以氮缺陷金刚石晶体为例，人工合成金刚石时参入氮原子，在一定的生长环境下，金刚石晶体结构会产生晶格缺陷即一个氮原子取代一个碳原子。当用532nm的光泵浦在缺陷上会产生荧光，其中心波长为637nm，使用微小光斑泵浦缺陷浓度较低的晶体，可以实现只泵浦单个缺陷，从而获得单光子荧光输出。该方法方向性较好，效率也较高。由于产生的单光子的中心波长为637nm，不适用于光纤量子保密通信。
采用参量下转换的方法，参量下转换是利用晶体的非线性效应，当一个高频率泵浦光射入其中时，利用晶体的二阶非线性效应，满足一定相位条件的方向自发辐射出两个频率较低的光子，新产生的两个光子频率之和等于泵浦光子频率，产生新光子的效率由晶体的非线性系数、与泵浦光的作用长度和泵浦光强度决定，所产生的光子遵循泊松分布，仍很难消除多光子情况。并且，即使使用脉冲泵浦光，参量单光子产生的时间也有一定的不确定性，而且其产生的光的方向性也较差。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种通信波段单光子源的产生方法，该方法可以获得有效的通信波段理想单光子源，该方法利用已有的非通信波段单光子源，通过非线性(差频)转换从而获得通信波段单光子。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种通信波段单光子源的产生方法，其特征在于该方法是将作为信号光的非通信波段单光子入射进非线性晶体，该非线性晶体被光泵浦，其中的泵浦光的频率小于单光子源的频率，然后调整信号光与腔内泵浦光在非线性晶体中重合，并满足相位匹配条件，由于晶体的二阶非线性效应，使得作为信号光的频率较高的单光子源与频率较低的泵浦光发生差频，从而产生一个频率为信号光与泵浦光频率之差的通信波段的光子。
上述的非线性晶体，指的是有二阶非线性效应，并且通光波段包含泵浦光，入射信号光和转换后信号光波长的非线性晶体。作为信号光的单光子的波长应该小于光通信波段波长。
泵浦光可以是连续的、或者是脉冲形式的，泵浦光的强度至少应该使得非线性晶体产生非线性极化，但是不能超过非线性晶体的损伤阈值。上述的非线性晶体可以置于一个有功率增强作用的外置谐振腔内(外腔式)，也可以置于产生泵浦光的有源谐振腔内(内腔式)。
所述的相位匹配条件是指是角度相位匹配或者是准相位匹配，其中的角度相位匹配是选择特定的非线性晶体切割角度，使得在非线性晶体中，泵浦光与入射信号光的波矢量叠加后与转换后信号光的波矢量相等；其中的准相位匹配是对非线性晶体作周期极化，特定的极化周期可以对应实现特定波长的泵浦光和入射信号光的相位匹配。
本发明的优点在于，能够获得通信波段的理想单光子源，转换效率高，稳定性好，方向性好，每个脉冲含多光子的概率小。
附图概述
附图1为本发明实施例1利用外腔结构实现频率转换的光路结构示意图；
附图2为本发明实施例2利用内腔结构、泵浦光为连续光的情况下，实现频率转换的光路结构示意图；
附图3为本发明实施例3、4利用内腔结构、泵浦光为脉冲光的情况下，实现频率转换的结构框图；
附图4为本发明实施例3、4利用内腔结构、泵浦光为脉冲光的情况下，实现频率转换的光路结构示意图。
具体技术方案
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
在下述实施例中光通信波段1.5μm以1550nm为例，其他波段与此波段的实现方法一致。
在我们的实施例中单光子信号光波长为631nm，用于频率转换的泵浦光波长为1064nm，差频光(频率转换后得到的单光子信号)波长为1550nm，即通信波段的理想单光子源。
实施例1：
为了实现有效的非线性频率转换，尽量提高有效入射非线性晶体的泵浦光强度是必要的。如图1所示，本方案采用的方法是，将泵浦光射入一个外置的四镜8字环形谐振腔(或者其他结构合适的谐振腔)，用伺服控制系统控制其中的一面腔镜，使得谐振腔的谐振频率与泵浦光的频率相匹配，达到腔内功率增强的效果，从而使放置在这个外腔中的非线性晶体可以获得数倍于泵浦光的有效入射光强度。
图1中标号1-15的实验装置介绍如下：
泵浦光1，由出射光符合非线性作用中相位匹配的泵浦光波长的激光器提供，如固体钕离子激光器等，功率可调；
耦合输入腔镜2，平面激光反射镜，在泵浦光波段反射率95％；
平面腔镜3，泵浦光波段激光高反镜，反射率大于99.9％；
压电陶瓷4，与平面腔镜3粘合一起，可以通过改变其工作电压来改变激光腔长度；
伺服控制系统5，伺服控制电路，控制压电陶瓷4的工作电压；
功率监测计6，监测出射激光功率，将功率变化信号送至伺服控制系统5；
单光子信号7，为现有的中心波长为637nm的单光子源，经过滤光装置12后可获得波长为631nm的单光子源；
凹面激光腔镜8，曲率半径R＝-75mm，曲面镀泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，两面镀信号光和差频光波段的增透膜；
非线性晶体9，满足相位匹配条件，可以实现本发明中的信号光频率转移的非线性晶体，比如BIBO(硼酸铋)晶体、PPLN(周期极化的铌酸锂)晶体或者PP-MgO:LN(掺镁的周期极化的铌酸锂)晶体等，工作温度精确控制，晶体两个表面镀有泵浦光、信号光、和差频光三个波段的增透膜；
凹面激光腔镜10，曲率半径R＝-75mm，曲面镀泵浦光波段的高反膜，R＞99.9％，两面镀差频光波段的增透膜；
分光棱镜11，布儒斯特角石英棱镜；
滤光系统12，包括以信号光频率为中心的窄带干涉滤光片一片，两面镀信号光和差频光波段的增透膜的平面反射镜一片；
透镜13，焦距100mm左右，两面镀信号光波段增透膜；
光阑14，狭缝光阑；
滤光系统15，包括以差频光频率为中心的窄带干涉滤光片一片和镀0°入射泵浦光波段的高反膜、两面镀差频光波段的增透膜的平面反射镜一片。
本方案中采用的激光谐振腔是一个由平面腔镜2、3和球面腔镜8、10构成的四镜环形谐振腔，满足谐振腔稳定条件，其中平面腔镜2与3之间的距离是30mm，球面腔镜8与10之间的距离是140mm，腔镜2与8、3与10间的距离相等，为120mm。耦合输入腔镜2是平面1064nm激光反射镜，反射率为95％。泵浦光可以由半导体二极管泵浦的固体钕离子激光器提供，输出激光为线偏振。通过耦合输入腔镜2将泵浦光能量注入腔中。平面腔镜3与压电陶瓷4粘合在一起，压电陶瓷伸缩可以调整谐振腔长度与泵浦光谐振。控制压电陶瓷的电压信号由伺服控制系统5提供。功率监测计6得到输出功率涨落的信号，送至伺服控制系统，继而控制压电陶瓷的伸缩，锁定腔内功率在最大值。此时腔内的功率可以比泵浦光功率高1到2个数量级。调节泵浦光的强度，保证转换效率达到量子态转移。将非线性晶体置于腔中如图位置，精确控制晶体温度在满足相位匹配的工作温度上。
PPLN晶体利用了准相位匹配相互作用，选择了特定的极化周期来实现泵浦光1064nm与入射信号光631nm差频相互作用得到转换后信号光1550nm，有效非线性系数约为16pm/V。本实施例中采用的PPLN晶体的极化周期为11.80μm或12.0μm。入射信号光的偏振方向，与腔内的泵浦光偏振方向一致，满足I类相位匹配条件。637nm的单光子信号经过滤光系统12后，获得631nm的信号光，由透镜13聚焦后耦合进入非线性晶体中，精确调节信号光的空间位置与泵浦光在非线性晶体中重合，目的是使它们充分的相互作用。本实施例中使用的非线性晶体是PPLN晶体，长度40mm。非线性晶体两表面镀有泵浦光1064nm、入射信号光631nm和出射差频光1550nm波段的增透膜，既能减少单光子信号的损耗，也能减少非线性晶体对谐振腔的插入损耗。由腔镜10出射的激光包含了泵浦光和差频光，通过分光棱镜11将不同的成份分开，用狭缝光阑14做空间过滤，只允许差频光通过。滤光系统15包括以1550nm为中心的窄带滤光片和两面镀1550nm增透膜的1064nm高反镜，目的是为了进一步滤出1550nm差频光。从而获得我们需要的单光子信号。
实施例2：
如图2所示，与实施例1相比，在本实施例中，我们发明了一种较为简单的方法来增加有效入射非线性晶体的功率，可以大大减少系统的复杂度和光路的调整难度。产生波长为1064nm的泵浦光的谐振腔，其输出镜的透射率通常为百分之几或百分之十几，则谐振腔内的光强可以达到出射光强的十几倍甚至几十倍。将非线性晶体置于此谐振腔内，同样可以得到高于出射光强度1-2个数量级的有效入射光强度。由于将非线性晶体置于泵浦光的有源腔中，不需要附加的装置就能获得高稳定的入射泵浦光功率，这也大大提高了频率转换的稳定度。因为连续的泵浦光很难达到很高的功率，所以此时对用于频率转换的非线性晶体的有效非线性系数要求比较高，如PPLN(周期极化的铌酸锂)晶体、PP-MgO:LN(周期极化的掺氧化镁的铌酸锂)晶体等周期极化的准相位匹配非线性晶体。
图2中标号1-12的实验装置介绍如下：
单光子信号1，即现有的中心波长为637nm的单光子源，经过滤光装置2后可获得波长为631nm的单光子源；
滤光系统2，包括以入射信号光频率为中心的窄带干涉滤光片一片，两面镀入射信号光波段的增透膜的平面反射镜一片；
透镜3，焦距500mm左右，两面镀入射信号光波段增透膜；
凹面激光腔反射镜4，两面镀入射信号光波段的增透膜，曲面镀腔内泵浦光波段的高反膜，反射率为98％，曲率半径R＝-500mm；
平面激光腔反射镜5，两面镀差频光波段的增透膜，靠近非线性晶体一面镀泵浦光波段的高反膜；
非线性晶体6，满足相位匹配条件，可以实现本发明信号光频率转移的非线性晶体，比如BIBO晶体、PPLN晶体或者PP-MgO:LN晶体等，工作温度精确控制；
激光增益晶体7，掺Nd3+离子激光增益介质，(如Nd3+:GdVO4，Nd3+:YVO4)长度为3mm，两面镀腔内泵浦激光波段的增透膜，掺杂浓度为1％；
凹面激光腔反射镜8，两面镀808nm的增透膜，曲面镀泵浦激光波长的高反膜，曲率半径R＝-100mm；
泵浦源9，光纤耦合输出的LD(半导体激光二极管激光器)。发射波长为808nm，最大输出功率20W。由光学聚焦系统耦合到激光增益介质上；
分光棱镜10，布儒斯特角石英棱镜；
光阑11，狭缝光阑；
滤光系统12，包括以差频光波长为中心的窄带干涉滤光片和镀0°入射泵浦光波段的高反膜、两面镀有差频光波长的增透膜的平面反射镜各一片。
如图2所示，实施例中，1064nm的泵浦光由固体钕离子激光器产生。光纤耦合输出的半导体二极管激光器产生最大出射功率为20W的激光9由光学系统聚焦在钕离子激光增益晶体7上，在L型的激光谐振腔中实现激光振荡。L型的激光谐振腔是由两面凹面激光腔反射镜4和8和一面平面激光腔反射镜5构成，两臂之间的夹角大约为18°。激光腔反射镜8与4之间的距离约为600mm，激光腔反射镜5与4之间的距离约为480mm，以满足稳定的谐振腔条件。凹面激光腔反射镜4对1064nm激光的反射率为98％，由于沿谐振腔两臂的方向都有激光出射，其总的耦合输出率约为3％，腔内激光为线偏振。如果谐振腔的1064nm输出光功率为3W时，则腔内的功率为100W。腔内1064nm激光功率的大小可以通过改变由LD发出的808nm泵浦光9功率进行调节。因为谐振腔内光束的光斑尺寸在靠近平面激光腔反射镜5的位置上比较小，将非线性晶体6放置于此处能得到较大的入射光功率密度。此方案中使用的40mm长非线性晶体PPLN两面镀有在631nm、1064nm以及1550nm波段的增透膜，既减少了弱光信号损耗，也减少了谐振腔的插入损耗。
PPLN晶体利用了准相位匹配相互作用，选择了特定的极化周期来实现泵浦光1064nm与入射信号光631nm差频相互作用得到转换后信号光1550nm，有效非线性系数约为16pm/V。极化周期与实施例1相同。631nm的单光子信号是由滤光装置2对637nm的单光子源进行滤光获得的，信号光与谐振腔内1064nm激光光场偏振一致，满足I类相位匹配条件。经过透镜3聚焦后，入射到非线性晶体6上，聚焦的焦点落在非线性晶体的中间位置。非线性晶体的温度被精确控制，偏差小于0.1℃。仔细调整入射光的位置，使入射光在非线性晶体中与谐振腔内的1064nm光场很好的重合。这样，1064nm泵浦光和631nm信号光在非线性晶体里相互作用，入射的631nm的信号光频率下转换为1550nm的差频光。控制腔内有效入射非线性晶体的泵浦光强度，使得转换效率达到最大，同时也实现了量子态转移。为了减小弱光信号(包括631nm的入射信号光和1550nm的差频光)损耗，在其经过的元件上都镀有相应的增透膜。1064nm泵浦光和1550nm差频光经过平面激光腔反射镜5输出谐振腔外，此时它们在空间上基本上还是重合的。经过分光棱镜10后，泵浦光和差频光在空间上被分开。用狭缝光阑11做空间过滤，只允许差频光通过。滤光系统12包括以1550nm为中心的窄带滤光片和两面镀1550nm增透膜的1064nm高反镜，目的是为了进一步滤出1550nm差频光。从而获得我们所需的1550nm的单光子输出。
实施例3：
如图3所示，泵浦光是脉冲的，a入射的单光子信号也是脉冲的，为了使泵浦光和信号光在时间上达到同步，这里用e时钟来进行控制单光子信号的触发以及脉冲泵浦光的触发探测系统的触发时刻，并且考虑到事件发生的先后，加入延时，目的是保证泵浦光脉冲与信号光脉冲时间上精确重合。由于脉冲泵浦光可以有很高的峰值功率，相对的，非线性晶体的有效非线性系数不需要很高，如BIBO(硼酸铋)晶体。
本实施例光路结构示意图如图4所示，图中13为工作波长与泵浦光波长一致的声光或者电光调Q元件，其它元件均与图2相同。调Q元件可以用来调节激光腔的损耗。调Q的过程可以描述如下：在激光泵浦刚刚开始的时候，调Q元件产生很高的损耗，使得激光无法振荡输出。由于持续泵浦，能量被储存起来。此时调Q元件突然降低损耗，在极短的时间里将储存的能量释放出来，即形成一个强的激光脉冲。Q脉冲有很高的峰值功率，较短的脉冲宽度。
与实施例2相比，本实施例采用了脉冲的工作方式。本实施例中采用的谐振腔结构与实施例2基本一致。为了使泵浦光在脉冲方式下运行，我们在腔内插入了1064nm的调Q元件(可以是声光调Q元件或者电光调Q元件)。调Q元件的触发频率锁定1064nm泵浦光重复频率与信号光的重复频率一致。入射的631nm单光子信号光也是脉冲的，脉宽约为1个ns(10-9s)。如图3所描述的，信号光和Q开关元件都由一个时钟脉冲控制，并适当引入延时，保证信号光与泵浦光脉冲在时间上的重合。
非线性晶体6可以使用有效非线性系数稍低的晶体，比如长度10mm的BIBO晶体，晶体的切割角度为：θ＝7.7°，＝0°，满足当1064nm泵浦光与631nm入射信号光正入射的时候差频得到1550nm出射信号光的角度相位匹配条件。晶体两面同样镀有631nm、1064nm、1550nm的增透膜。腔内的调Q脉冲宽度在10ns量级，脉冲宽度比信号光脉冲大一个量级左右以保证单光子信号光完全被频率转换。调整808nm泵浦源的功率以及Q脉冲的宽度(调节Q开关)使得泵浦脉冲的峰值功率(几个kW量级)满足频率转换的要求。631nm的单光子信号是由滤光装置2对637nm的单光子源进行滤光获得的，信号光与谐振腔内1064nm激光光场偏振一致，满足I类相位匹配条件。经过聚焦透镜3后，入射到非线性晶体6上，聚焦的焦点落在非线性晶体的中间位置。仔细调整入射光的位置，使入射光在非线性晶体中与谐振腔内的1064nm光场很好的重合。在非线性差频作用下，入射的631nm的信号光频率下转换为1550nm的差频光。为了减小弱光信号(包括631nm的入射信号光和1550nm的差频光)损耗，在其经过的元件上都镀有相应的增透膜。1064nm泵浦光和1550nm差频光经过平面激光腔反射镜5输出谐振腔外，此时它们在空间上基本上还是重合的。经过分光棱镜10后，泵浦光和差频光在空间上被分开。用狭缝光阑11做空间过滤，只允许差频光通过。滤光系统12包括以1550nm为中心的窄带滤光片和两面镀1550nm增透膜的1064nm高反镜，目的是为了进一步滤出1550nm差频光。从而获得我们所需的1550nm的单光子输出。
实施例4：
本实施例中用主动锁模的方法取代了实施例3中的调Q的方法。主动锁模技术是在激光腔内放置一个调制器，该调制器对腔内激光产生一个幅度或者相位的调制，目的是使腔内的纵模间隔完全相等。间隔相等的各个纵模之间实现相干叠加，于是得到高峰值功率、短脉冲宽度的激光脉冲。锁模脉冲具有脉冲宽度窄，重复频率高的特点，一方面可以实现高重复频率的入射信号光频率转换，另一方面也要求信号光具有很窄的脉冲宽度。由于锁模脉冲的重复频率是由激光谐振腔的长度决定的，所以我们设计谐振腔的长度数值，使得泵浦光重复频率等于信号光重复频率，或者是信号光重复频率的整数倍，这样我们得以保证泵浦光脉冲与信号光脉冲可以一一对应，在时间上实现重合。在本方案中，泵浦光的脉冲宽度约为数十ps(10-12s)，重复频率数十MHz，入射的信号光脉冲宽度约为数个ps，重复频率可以高达数MHz甚至数十MHz。
如图4所示，主动锁模的光路结构示意图与实施例3的结构示意图基本一致，区别仅在于腔内插入的元件13并不是Q开关元件，而是产生锁模调制的声光或者电光调制器，调制器的工作波长在1064nm。如图3所描述的，信号光和电光或者声光调制器由一个时钟脉冲控制，并适当引入延时，保证信号光与泵浦光脉冲在时间上的重合。其工作机制与实施例3的调Q方式基本一致。
本领域技术人员显然可以认识到，本发明并不拘泥于某种特定的腔型、特定的非线性晶体、特定波长的泵浦光，即在满足频率转换的条件下可以设计不同的激光腔，选择不同的非线性晶体，1.3μm波段以及1.5μm附近其它波段的单光子源均可通过本发明所提供的方法获得，只需选取相应波段的泵浦光及相应的谐振腔即可。