緊湊型半導(dǎo)體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緊湊型半導(dǎo)體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]基于量子糾纏光源的量子密碼技術(shù)已經(jīng)非常接近實用，但其中量子密鑰分配技術(shù)仍然有一個核心問題尚待突破，即如何從傳統(tǒng)的蛙跳式“可信中繼”方式過渡到量子中繼模式以實現(xiàn)高可靠性長程量子通信，而采用量子中繼器的量子密鑰分配系統(tǒng)必須采用基于光子糾纏源的量子密鑰分配方案，因此當(dāng)前限制糾纏式量子密碼應(yīng)用的主要問題是缺乏高亮度、高品質(zhì)、體積小的通信波段光子糾纏源。最新研宄表明，處于1.5 μπι波段的光子糾纏源不僅能夠滿足量子密鑰分配系統(tǒng)的基本要求，還能匹配當(dāng)前的光纖通信系統(tǒng)和大氣傳輸窗口，因此研制高亮度、高糾纏品質(zhì)、小型化的1.5 ym雙光子偏振糾纏源十分必要。
[0003]光子糾纏源中，最基本的研宄便是關(guān)于雙光子糾纏源的開發(fā)與應(yīng)用，其中雙光子偏振單自由度糾纏源的研宄與應(yīng)用較為成熟，盡管多自由度、多光子糾纏源的開發(fā)更接近于實際應(yīng)用需求，但整體難度較大，因此雙光子偏振糾纏源是當(dāng)前各項量子通信實驗的主要糾纏源。利用光學(xué)非線性耦合作用獲得光子糾纏源是最為常用的方法，其中常用的兩種非線性耦合作用包括:第一種是基于三波混頻的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(sroc)過程，利用的非線性介質(zhì)包括:普通塊狀非線性晶體(如KDP、BBO等)、周期性極化晶體(如PPLN、PPKTP)以及新型平面波導(dǎo)介質(zhì)，其中周期性極化晶體和平面波導(dǎo)的性能優(yōu)異，但后者制造難度大、成本高；第二種是基于光纖中的自發(fā)四波混頻(SFWM)非線性效應(yīng)，利用的非線性光學(xué)包括:色散位移光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、雙折射光纖等。SPDC過程獲得光子糾纏源的研宄較多，其突出優(yōu)點是介質(zhì)的非線性系數(shù)較大，主要缺點是在光纖通信系統(tǒng)中耦合效率較低；SFWM過程獲得光子糾纏源的突出優(yōu)點是與光纖通信系統(tǒng)的高兼容性，但目前高非線性系數(shù)的光纖介質(zhì)較少，一般需要利用脈沖激光器作為泵浦源。以往的研宄中，為獲得1.5μπι波段高亮度偏振糾纏光子對連續(xù)輸出，主要應(yīng)用的泵浦源有:經(jīng)過摻鉺光纖激光器倍頻獲得的780nm激光和可調(diào)諧鈦寶石激光器，前者的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且連續(xù)倍頻轉(zhuǎn)換效率不高，后者成本高、結(jié)構(gòu)也復(fù)雜。
[0004]鑒于此，亟需提供一種新的裝置以獲得1.5 μπι波段高亮度雙光子偏振糾纏源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種緊湊型半導(dǎo)體激光裝置及雙光子偏振糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)，可以獲得單頻穩(wěn)頻的泵浦光及高亮度、高品質(zhì)偏振糾纏源。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供了一種緊湊型半導(dǎo)體激光裝置，包括:窄線寬激光產(chǎn)生單元、飽和吸收譜穩(wěn)頻單元和錐形半導(dǎo)體放大單元；
[0007]所述窄線寬激光產(chǎn)生單元包括激光二極管、第一光學(xué)透鏡和外腔光柵；所述激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一光學(xué)透鏡后準(zhǔn)直射入所述外腔光柵，所述外腔光柵實現(xiàn)外腔反饋與激光輸出；其中所述外腔光柵外附著有壓電陶瓷；
[0008]所述飽和吸收譜穩(wěn)頻單元與所述窄線寬激光產(chǎn)生單元相連，包括第二光學(xué)鏡、第三光學(xué)鏡、第四光學(xué)鏡、第五光學(xué)鏡、第六光學(xué)鏡、銣原子氣室、光電探測器、穩(wěn)頻電路、控制電源；
[0009]所述第二光學(xué)鏡將所述窄線寬激光產(chǎn)生單元輸出的激光分為第一光路和第二光路，所述第一光路為所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置內(nèi)部的穩(wěn)頻反饋光路，所述第二光路經(jīng)過所述錐形半導(dǎo)體放大單元進(jìn)行功率放大后作為所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置的輸出光路；
[0010]所述第一光路經(jīng)過第三光學(xué)鏡，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式進(jìn)入所述銣原子氣室，所述第一子光路經(jīng)過所述銣原子氣室后通過所述第六光學(xué)鏡進(jìn)入光電探測器；
[0011]所述第三子光路依次經(jīng)過所述第四光學(xué)鏡、第五光學(xué)鏡和所述第六光學(xué)鏡反射之后，反向進(jìn)入所述銣原子氣室，與正向進(jìn)入所述銣原子氣室的第二子光路重合；
[0012]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通過所述第六光學(xué)鏡進(jìn)入光電探測器；
[0013]所述穩(wěn)頻電路對所述光電探測器輸出的兩路電信號進(jìn)行處理以獲得消除多普勒背景的吸收譜信號，所述穩(wěn)頻電路對所述消除多普勒背景的吸收譜信號進(jìn)一步處理后獲得以某一精細(xì)峰的中心頻率對應(yīng)電壓零點的誤差信號，所述穩(wěn)頻電路將所述誤差信號發(fā)送給所述控制電源，所述控制電源根據(jù)所述誤差信號控制所述窄線寬激光產(chǎn)生單元中外腔光柵外附著的壓電陶瓷兩端的電壓，以使所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置獲得穩(wěn)定的激光頻率；
[0014]所述錐形半導(dǎo)體放大單元，與所述飽和吸收譜穩(wěn)頻單元相連，用于提高所述第二光路的輸出功率。
[0015]進(jìn)一步地，所述光電探測器和穩(wěn)頻電路之間還設(shè)置有弱信號處理電路；
[0016]所述弱信號處理電路用于對所述光電探測器輸出的兩路電信號進(jìn)行降噪、放大和濾波處理。
[0017]進(jìn)一步地，所述第二光學(xué)鏡為具有低反高透性質(zhì)的光學(xué)鏡，所述第二光學(xué)鏡用于將所述窄線寬激光產(chǎn)生單元輸出的激光分為第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路為所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置內(nèi)部的穩(wěn)頻反饋光路，所述第二透射光路作為所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置的輸出光路。
[0018]進(jìn)一步地，所述第三光學(xué)鏡為厚度大于預(yù)設(shè)閾值的光學(xué)鏡片，以保證所述第一光路經(jīng)過所述第三光學(xué)鏡之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常經(jīng)過所述銣原子氣室；所述第二子光路在所述銣原子氣室內(nèi)與方向改變后的第三子光路反向重合。
[0019]進(jìn)一步地，所述激光二極管為發(fā)射中心波長為770?790nm、最大輸出功率小于或等于10mW的脊波導(dǎo)二極管；所述外腔光柵是平面反射式衍射光柵。
[0020]進(jìn)一步地，所述銣原子氣室中的氣體為85Rb和87Rb的混合氣體。
[0021]第二方面，本發(fā)明還提供了一種雙光子偏振糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)，包括偏振糾纏光子對產(chǎn)生裝置以及上面所述的緊湊型半導(dǎo)體激光裝置；
[0022]所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置，用于產(chǎn)生泵浦光；
[0023]所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生裝置，用于利用所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置產(chǎn)生的泵浦光產(chǎn)生偏振糾纏光子對。
[0024]進(jìn)一步地，所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生裝置包括功率調(diào)節(jié)單元和偏振糾纏光子對產(chǎn)生單元；
[0025]所述功率調(diào)節(jié)單元包括四分之一波片和半波片，用于對所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置產(chǎn)生的泵浦光進(jìn)行功率調(diào)節(jié)；
[0026]所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生單元包括二向色鏡、Sagnac干涉環(huán)、長通濾波器、耦合透鏡和保偏單模光纖；
[0027]所述二向色鏡對所述功率調(diào)節(jié)單元輸出的泵浦光進(jìn)行泵浦光和參量光的分離，分離后的泵浦光進(jìn)入Sagnac干涉環(huán)；
[0028]所述Sagnac干涉環(huán)為等腰直角Sagnac干涉環(huán)，所述等腰直角Sagnac干涉環(huán)由一片雙波長偏振分束棱鏡和兩片雙波長反射鏡組成；其中，周期性極化晶體處于所述干涉環(huán)的斜邊中央，雙波長半波片處于所述干涉環(huán)任一直角邊上；所述等腰直角Sagnac干涉環(huán)用于產(chǎn)生兩路糾纏光；
[0029]所述兩路糾纏光分別通過長通濾波器、耦合透鏡和保偏單模光纖，形成雙光子偏振糾纏光源。
[0030]進(jìn)一步地，所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生裝置還包括光束整形單元和/或泵浦束腰變換單元；
[0031]所述光束整形單元，位于功率調(diào)節(jié)單元之前，包括準(zhǔn)直透鏡和/或柱透鏡，用于對所述緊湊型半導(dǎo)體激光裝置產(chǎn)生的泵浦光進(jìn)行光束整形；
[0032]所述泵浦束腰變換單元，位于所述功率調(diào)節(jié)單元和所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生單元之間，包括第一透光鏡和第二透光鏡，用于通過調(diào)節(jié)所述第一透光鏡和第二透光鏡的焦距大小來實現(xiàn)泵浦束腰與參量光目標(biāo)束腰的匹配。
[0033]進(jìn)一步地，所述雙光子偏振糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)還包括糾纏光光纖耦合測試裝置，所述糾纏光光纖耦合測試裝置用于測試所述偏振糾纏光子對產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的偏振糾纏光子的糾纏亮度和/或糾纏特性。
[0