【摘要】：近年來,對于量子科學信息科學的研究正在蓬勃的開展,而基于光學的量子信息處理,需要高質(zhì)量的糾纏態(tài)光源。集成光波導將光路從復雜的線性光路中脫離,將功能集成,使得光器件小型化,使光波更容易控制。本文就是設(shè)計一個將偏振糾纏光源的產(chǎn)生以及光子對的分離集成一起的光波導芯片,可以實現(xiàn)集成化,高穩(wěn)定性、高光子產(chǎn)生效率以及高糾纏度的偏振糾纏態(tài)光源。本文首先從非線性光學的原理出發(fā),比較不同的方式產(chǎn)生糾纏光源的優(yōu)劣,引出本文所用到二階非線性效應(yīng)的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生光子對。介紹對自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換分析進行分析的雙光子光譜理論以及對光波導仿真分析所用的數(shù)值方法,包括有效折射率法,光束傳播法等。這些理論分析將為光波導器件的仿真分析設(shè)計以及實驗提供相應(yīng)的指導。然后設(shè)計波導結(jié)構(gòu),分別為Y分支部分,周期極化鈮酸鋰部分以及3dB耦合器部分,可實現(xiàn)片上光源的產(chǎn)生及光子對的分離�；谟行д凵渎史�,本文確定了脊波導傳播的單模條件,確定了脊波導的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及有效折射率,進而確定周期性極化鈮酸鋰的極化周期。通過雙光子聯(lián)合光譜理論對雙光子的特性進行分析,比較泵浦光的頻寬以及PPLN波導長度對雙光子特性的影響,從而確定合適的泵浦光以及極化周期波導長度。同時,通過光束傳播法模擬光場在波導中的傳播,對Y分支以及3dB耦合器進行設(shè)計仿真,確定兩個器件的設(shè)計參數(shù)。本文設(shè)計的SPDC光源有較高的量子干涉可見度,設(shè)計的3 dB耦合器能夠?qū)庾訉M行分離。最后,搭建實驗光路,對周期極化鈮酸鋰波導初樣以及3 dB耦合器波導初樣進行實驗測量,該實驗是未來測試集成化的波導的前期準備。通過實驗,I型自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換周期極化脊波導的位相匹配波長為783.23 nm,在泵浦功率為351μW時樣品波導產(chǎn)生的光子對的CAR達到最大,為48.97,此時光子對的產(chǎn)生效率為6.19?10~(-6)pair/pump photon。具有較高的光子對產(chǎn)生效率。對3 dB耦合器進行實驗測量,TE和TM模式的反射率分別為51.4%,52.7%,接近50:50,光子對從分束器的A、B兩個端口分開的概率為0.998318。本文設(shè)計的光波導可以為今后的實驗提供指導和參考。
【圖文】：

Titanyl Phosphate, PPKTP）晶體。PPLN 以及 PPKTP 具備很而且光場傳播的損耗很低，能產(chǎn)生高質(zhì)量以及高光子對產(chǎn)生。早期的采用離子交換的 PPLN 波導只支持單一模式（TM輸。它雖然可以利用最大的二階非線性系數(shù)來產(chǎn)生雙光子，的偏振，無法直接產(chǎn)生偏振糾纏態(tài)。2006 年左右發(fā)展的鈦4 年左右發(fā)展的 PPKTP 波導可以同時支持 TE 和 TM 偏振，態(tài)。但是這一類波導或受偏振影響或模場尺寸較大，最近，材料得到廣泛的發(fā)展，由于其高效率和低損耗且模式尺寸小主要介紹國內(nèi)外的研究團隊對糾纏光源波導的研究現(xiàn)狀。研究概況，來自德國和奧地利 Paul G. Kwiat 團隊利用偏硼酸鋇（BO）晶體在 II 型自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的位相匹配條件下產(chǎn)生糾纏見度達到 97%[17]。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文1999 年，，該團隊利用兩塊 I 型 BBO 晶體實現(xiàn)高亮度的糾纏態(tài)光源，實驗裝如圖 1-1 所示，利用兩塊 I 型 BBO 晶體，其光軸方向彼此垂直。這種高亮度的纏光源對于衛(wèi)星間的量子加密通信以及量子隱形傳輸?shù)葢?yīng)用有很大的優(yōu)勢[18]。2007 年加拿大多倫多大學的 Xiongfeng Ma 以及 Hoi-Kwong Lo 等人通過真在 144 km 光纖中糾纏 PDC、觸發(fā) PDC 以及相干態(tài)三種方式的量子秘鑰分（QKD），發(fā)現(xiàn)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對具有對信道損耗的容忍度更高的特可以更好的完成量子保密通信[19]。2009 年，來自法國的 A.Martin，P.Aboussouan 等人提出了一種新的偏振糾光子對光源的實現(xiàn)方法[20]，過程如圖 1-2 所示，655 nm 的 CW 激光器通過集成鈦擴散鈮酸鋰波導上的周期性極化鈮酸鋰，產(chǎn)生波長為波長在 1310nm 的光子對帶寬為 0.7nm�？梢姸葹� 85％。光源亮度約為 105pairs-1GHz-1mW-1。并證明該源具有長距離量子通信的高潛力。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O431.2;TN252

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊名;;大規(guī)模糾纏態(tài)制備方法研究[J];安徽大學學報(自然科學版);2018年04期

2 翟淑琴;張姚;楊榮國;劉奎;;基于線性光學的多通道混合糾纏態(tài)[J];量子光學學報;2017年02期

3 許朋;薛麗;何勇;姜年權(quán);;兩體糾纏態(tài)的應(yīng)用[J];溫州大學學報(自然科學版);2010年02期

4 施錦;;三粒子W糾纏態(tài)的概率量子隱形傳態(tài)[J];淮陰師范學院學報(自然科學版);2008年03期

5 王郁武;;遠程制備多粒子糾纏態(tài)優(yōu)化方案[J];淮陰師范學院學報(自然科學版);2008年02期

6 許梅;何謂糾纏態(tài)[J];現(xiàn)代物理知識;2005年03期

7 周衛(wèi)東;利用糾纏催化作用輔助恢復糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化中丟失的量子糾纏[J];量子電子學報;2002年05期

8 張瑾;嚴飛;;一個特殊五粒子糾纏態(tài)的制備方案（英文）[J];量子電子學報;2017年04期

9 程世清;林巧文;康占成;;微波場糾纏態(tài)的制備[J];山西大同大學學報(自然科學版);2013年04期

10 林青;;任意多體高維偏振糾纏態(tài)的有效制備[J];中國科學:物理學 力學 天文學;2012年08期

相關(guān)會議論文 前10條

1 李宏;劉曉靜;張斯淇;馬季;吳向堯;;兩電子、三電子糾纏態(tài)研究[A];第十六屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2014年

2 王冠玉;劉倩;鄧富國;;兩光子六比特超糾纏態(tài)純化[A];第十七屆全國量子光學學術(shù)會議報告摘要集[C];2016年

3 劉金明;王育竹;;利用兩對糾纏粒子遠程制備一個兩粒子糾纏態(tài)[A];大珩先生九十華誕文集暨中國光學學會2004年學術(shù)大會論文集[C];2004年

4 沙金巧;方建興;;N粒子W糾纏態(tài)的隱形傳輸[A];第十二屆全國量子光學學術(shù)會議論文摘要集[C];2006年

5 王榮軍;張涌;夏慧榮;;由半導體產(chǎn)生糾纏態(tài)光子對的研究[A];第七屆全國量子光學學術(shù)報告會論文摘要集[C];1996年

6 張姚;翟淑琴;楊榮國;劉奎;;基于線性光學的多通道混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生[A];第十七屆全國量子光學學術(shù)會議報告摘要集[C];2016年

7 郭學石;劉楠楠;劉宇宏;李小英;;基于光纖參量放大器的連續(xù)變量糾纏態(tài)光源[A];第十六屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2014年

8 劉奎;崔淑珍;張俊香;郜江瑞;;連續(xù)變量糾纏態(tài)的條件量子克隆[A];第十四屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2010年

9 吳熙;陳志華;張勇;陳悅?cè)A;葉明勇;林秀敏;;相位門的實現(xiàn)和多粒子糾纏態(tài)的制備[A];第十四屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2010年

10 向少華;宋克慧;施振剛;諶雄文;;噪聲環(huán)境中兩粒子糾纏態(tài)的糾纏消相干[A];第十二屆全國量子光學學術(shù)會議論文摘要集[C];2006年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 吳長鋒;我首次利用四維糾纏態(tài)實現(xiàn)量子密集編碼[N];科技日報;2018年

2 本報記者 吳長鋒;實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，糾纏態(tài)制備是關(guān)鍵[N];科技日報;2019年

3 記者 楊保國;最優(yōu)糾纏光源和最大規(guī)模多體糾纏態(tài)誕生[N];中國科學報;2019年

4 記者 吳長鋒 通訊員 楊保國;多自由度超糾纏態(tài)量子存儲實現(xiàn)[N];科技日報;2016年

5 記者 聶翠蓉;四維超糾纏態(tài)光子室外首次傳輸成功[N];科技日報;2017年

6 記者 房琳琳;“糾纏態(tài)”是現(xiàn)實世界的必然特征[N];科技日報;2017年

7 記者 吳長鋒;中國科大制備出八光子糾纏態(tài)[N];科技日報;2011年

8 江耘 黃齡億;見證20量子比特糾纏態(tài)奇跡[N];江蘇科技報;2019年

9 本報記者 江耘 實習生 黃齡億 通訊員 周煒;187納秒，見證20量子比特糾纏態(tài)奇跡[N];科技日報;2019年

10 本報記者 吳長鋒;給糾纏態(tài)“做個CT” 讓未來量子網(wǎng)絡(luò)更安全[N];科技日報;2019年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 李海泉;糾纏態(tài)為資源局域區(qū)分正交乘積態(tài)的研究[D];華南理工大學;2018年

2 田彩星;多組份高斯糾纏態(tài)的量子糾纏交換[D];山西大學;2019年

3 陳娜;基于部分糾纏態(tài)的遠程量子信息傳輸理論研究[D];西安電子科技大學;2016年

4 羅湘雯;基于二維光學超晶格中多參量過程的相干光束和高維路徑糾纏產(chǎn)生[D];南京大學;2019年

5 計彥強;糾纏態(tài)的融合與轉(zhuǎn)化[D];東北師范大學;2018年

6 張融;量子邏輯門的構(gòu)建、糾纏態(tài)的制備和熱糾纏度量[D];蘇州大學;2005年

7 郭彥青;腔QED體系中制備兩原子糾纏態(tài)的理論研究[D];大連理工大學;2006年

8 李曉宇;量子信息處理中的糾纏態(tài)及其應(yīng)用[D];中國科學院研究生院（計算技術(shù)研究所）;2004年

9 張瑾;多粒子糾纏的制備和操縱[D];中國科學技術(shù)大學;2007年

10 譚華堂;連續(xù)變量糾纏態(tài)的制備及其性質(zhì)的理論研究[D];華中師范大學;2007年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 劉元興;約翰·斯圖爾特·貝爾研究[D];山西大學;2019年

2 王野;基于非線性波導的偏振糾纏態(tài)光源[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

3 秦加奇;基于多體糾纏態(tài)的量子投票協(xié)議設(shè)計與分析[D];安徽大學;2019年

4 鞠樂;基于量子隨機行走的多光子糾纏態(tài)制備方案研究[D];安徽大學;2019年

5 齊佳敏;基于糾纏態(tài)和身份認證的量子對話協(xié)議的設(shè)計與研究[D];北京郵電大學;2019年

6 申彩鵬;量子多體糾纏的制備與轉(zhuǎn)化[D];鄭州大學;2019年

7 劉冰;耗散耦合腔中制備Bell態(tài)[D];東北師范大學;2019年

8 桑云飛;基于電路QED的糾纏態(tài)制備研究[D];東北師范大學;2019年

9 趙艷君;基于里德堡原子基態(tài)反阻塞制備糾纏態(tài)[D];東北師范大學;2019年

10 夏黎君;硅基芯片上的三維糾纏源[D];南京大學;2019年

本文編號：2621099