[发明专利]一种超宽带能量-时间纠缠双光子态的产生方法

说明书

本发明公开了一种超宽带能量‑时间纠缠双光子态的产生方法通过制备直波导结构，然后将泵浦光从直波导结构的梯形截面的凸起部分正入射到直波导中进行传播，在直波导进行自发参量下转换过程的失配量，经过直波导结构内发生发参量下转换过程后，一个频率为w_P的泵浦光光子被非线性光子晶体转化为一个频率为w_S的信号光光子和一个频率为w_I的闲置光光子。本发明提供的非线性直波导的横截面为梯形，该截面结构可以调整直波导的色散关系，改变泵浦光、信号光和闲置光空间模式匹配，实现更宽带的信号光与闲置光光谱。

技术领域

本发明涉及的量子信息技术领域，具体涉及一种超宽带能量-时间纠缠双光子态的产生方法。

背景技术

量子纠缠描述的是粒子或粒子组之间的一种关联特性。量子纠缠源是量子通信系统中不可或缺的部分。基于非线性材料的二阶非线性极化系数的作用下发生自发参量下转换(Spontaneous parametric down-conversion,SPDC)过程，是一种产生能量-时间纠缠的有效方案。自发参量下转换是指二阶非线性晶体中泵浦光(频率为w_P)和非线性晶体相互作用生成信号光(频率为w_S)和闲置光(频率为w_I)的非线性参量过程。该过程需要满足能量守恒条件(w_P＝w_S+w_I)，而动量守恒条件一般不满足。对于LiNbO₃直波导，通常采用准相位匹配技术来补偿非线性过程中的波矢失配量

然而，准相位匹配技术通常只能匹配一个波矢失配量所以产生的信号光闲置光光谱较窄，难以产生超宽带的纠缠光子对，因此需要对现有技术进行进一步的改进。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种超宽带能量-时间纠缠双光子态的产生方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种超宽带能量-时间纠缠双光子态的产生方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制备直波导结构，在衬底的上表面生成LiNbO₃晶体薄膜层，所述LiNbO₃晶体薄膜层上设置有梯形截面的凸起；

步骤2：泵浦光从直波导结构的梯形截面的凸起部分正入射到直波导中进行传播，在传播过程中进行自发参量下转换过程；

步骤3：所述LiNbO₃晶体薄膜层的二阶非线性极化系数χ⁽²⁾沿泵浦光传播方向周期性反转，实现二阶非线性极化系数χ⁽²⁾＝+1的晶畴和二阶非线性极化系数χ⁽²⁾＝-1的晶畴规律交替出现，补偿多个自发参量下转换过程的失配量

步骤4：经过直波导结构内发生发参量下转换过程后，一个频率为w_P的泵浦光光子被非线性光子晶体转化为一个频率为w_S的信号光光子和一个频率为w_I的闲置光光子。

所述LiNbO₃晶体薄膜层设置在衬底层的上表面，所述LiNbO₃晶体薄膜层厚度d2为180-220nm；

梯形截面的凸起设置在LiNbO₃晶体薄膜层的中部，梯形截面的凸起的横截面为等腰梯形，等腰梯形的高度d1为380-420nm，上底的长度W为1500-1700nm，腰与下底的夹角θ为65-80度。

优选地，所述LiNbO₃晶体薄膜层掺杂4％-6％MgO。

优选地，LiNbO₃晶体薄膜层掺杂5％MgO。

优选地，所述衬底层的材质为SiO₂，所述衬底的长度L为6.5-10mm，高度D为1.8-2.2μm。