基于非线性波导的偏振纠缠态光源

论文摘要

近年来,对于量子科学信息科学的研究正在蓬勃的开展,而基于光学的量子信息处理,需要高质量的纠缠态光源。集成光波导将光路从复杂的线性光路中脱离,将功能集成,使得光器件小型化,使光波更容易控制。本文就是设计一个将偏振纠缠光源的产生以及光子对的分离集成一起的光波导芯片,可以实现集成化,高稳定性、高光子产生效率以及高纠缠度的偏振纠缠态光源。本文首先从非线性光学的原理出发,比较不同的方式产生纠缠光源的优劣,引出本文所用到二阶非线性效应的自发参量下转换来产生光子对。介绍对自发参量下转换分析进行分析的双光子光谱理论以及对光波导仿真分析所用的数值方法,包括有效折射率法,光束传播法等。这些理论分析将为光波导器件的仿真分析设计以及实验提供相应的指导。然后设计波导结构,分别为Y分支部分,周期极化铌酸锂部分以及3dB耦合器部分,可实现片上光源的产生及光子对的分离。基于有效折射率法,本文确定了脊波导传播的单模条件,确定了脊波导的结构参数以及有效折射率,进而确定周期性极化铌酸锂的极化周期。通过双光子联合光谱理论对双光子的特性进行分析,比较泵浦光的频宽以及PPLN波导长度对双光子特性的影响,从而确定合适的泵浦光以及极化周期波导长度。同时,通过光束传播法模拟光场在波导中的传播,对Y分支以及3dB耦合器进行设计仿真,确定两个器件的设计参数。本文设计的SPDC光源有较高的量子干涉可见度,设计的3 dB耦合器能够对光子对进行分离。最后,搭建实验光路,对周期极化铌酸锂波导初样以及3 dB耦合器波导初样进行实验测量,该实验是未来测试集成化的波导的前期准备。通过实验,I型自发参量下转换周期极化脊波导的位相匹配波长为783.23 nm,在泵浦功率为351μW时样品波导产生的光子对的CAR达到最大,为48.97,此时光子对的产生效率为6.19?10-6pair/pump photon。具有较高的光子对产生效率。对3 dB耦合器进行实验测量,TE和TM模式的反射率分别为51.4%,52.7%,接近50:50,光子对从分束器的A、B两个端口分开的概率为0.998318。本文设计的光波导可以为今后的实验提供指导和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景与意义
•   1.2 国内外研究概况
•     1.2.1 国外研究概况
•     1.2.2 国内研究现状
•     1.2.3 国内外研究现状综述
•   1.3 本论文结构安排
• 第二章 偏振纠缠态光源的相关理论基础
•   2.1 非线性光学理论
•     2.1.1 自发参量下转换
•     2.1.2 准相位匹配
•     2.1.3 I型位相匹配和II型位相匹配的区别
•     2.1.4 双光子联合光谱理论
•   2.2 光波导理论
•     2.2.1 脊波导单模条件的有效折射率法
•     2.2.2 光束传播法
•   2.3 纠缠光源的评价
•     2.3.1 符合随机计数比
•     2.3.2 光子对产生效率
•   2.4 本章小结
• 第三章 偏振纠缠光源波导的仿真设计
•   3.1 波导整体设计
•   3.2 波导单模条件
•   3.3 Y分支设计
•   3.4 周期极化铌酸锂设计
•     3.4.1 薄膜铌酸锂的周期极化
•     3.4.2 极化周期的确定
•   3.5 波导的自发参量下转换分析
•     3.5.1 泵浦光频宽对双光子特性影响
•     3.5.2 周期极化波导长度对双光子特性的影响
•   3.6 3dB耦合器设计
•     3.6.1 3dB定向耦合器原理
•     3.6.2 3dB耦合器仿真
•     3.6.3 3dB耦合器对光子对的分离
•   3.7 本章小结
• 第四章 波导的实验研究
•   4.1 实验光路系统搭建
•     4.1.1 实验器材简介
•     4.1.2 光路调试
•   4.2 周期极化波导的实验研究
•     4.2.1 位相匹配波长的实验测量
•     4.2.2 光子对的实验测量
•   4.3 3dB耦合器的实验研究
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王野

导师: 谭立英

关键词: 自发参量下转换,纠缠光子对,准相位匹配,有效折射率法

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O431.2;TN252

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004768

总页数: 77

文件大小: 3018K

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