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案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通訊波段糾纏光子源的技術創(chuàng)新與商業(yè)價值

更新時間:2025-06-10 點擊次數:140

案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通訊波段糾纏光子源的技術創(chuàng)新與商業(yè)價值


生成高速率的糾纏光子對的能力是量子密鑰分發(fā)(QKD)和量子信息處理(QIP)系統的關鍵要求。QKD為安全社會提供了前景,包括保護關鍵信息、基礎設施以及有價值的數據,例如guo家的電網、水務等系統。而QIP則為容錯通用量子計算鋪平了道路,有效減少量子比特的錯誤率,從而實現更快的藥物發(fā)現和復雜系統的優(yōu)化,提供了強大的計算支持。

 

為了達成這個目的,由英國創(chuàng)新署(Innovate UK)資助的“高速率糾纏光子"項目(High Rate of EntangLED Photons,HiREP)應運而生。該項目由英國Covesion Ltd主導并與弗勞恩霍夫應用光子學中心合作,利用非線性光學波導技術研發(fā)出一種高速率、偏振糾纏的光子對源。昊量光電作為Covesion產品的代理,致力于為客戶提供高質量的PPLN產品和專業(yè)的技術支持。

 

項目主要目標:

  • 開發(fā)周期性極化鈮酸鋰PPLN波導,用于高效產生光子對。

  • 通過將高功率泵浦源與高轉換效率的波導相結合,設計一種能夠高速產生糾纏光子的光學系統。

  • 演示通信波長(1560nm)偏振糾纏光子的高生成率(>1GHz,符合歐洲航天局規(guī)定的市場要求)。

  • 為波導晶體和集成糾纏光子源提供進入市場的途徑。

 

集成(基于波導的)自發(fā)參量下轉換(SPDC)為高效生成糾纏光子對提供了一種途徑,因為所有下轉換光都被限制在定義明確的單個橫向模式中,從而提高了收集效率。此外,集成化為生成最終具有更高 極別功能的魯棒性解決方案提供了一種途徑,包括泵浦激光器和分束器。高糾纏光子率對于實現高安全密鑰率(例如,經過空間傳輸損耗后)或提高量子信息處理能力至關重要。由Covesion開發(fā)的PPLN波導可以實現高效二次諧波發(fā)生(SHG)和自發(fā)參量下轉換(SPDC)。波導經過優(yōu)化,在1560nm的基礎波長上以單模運行,其MFD與標準(PM1550)光纖跳線非常匹配,從而實現了光纖集成的高耦合效率,利用這些波導展示了高速率糾纏光子。

 

通過PPLN波導設計并制造了一個光學平臺演示系統,共分為以下三個階段


第1階段 SPDC泵浦:基于放大的通信波段(1560nm)激光器SHG產生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波導提供。


第2階段 光子對生成:PPLN波導通過SPDC在1560nm波長處產生光子對。將SPDC波導置于Sagnac干涉儀中可實現偏振糾纏。


第3階段 光子對檢測:信號光子和閑頻光子被分為兩路,利用偏振光學器件進行單獨分析,并通過超導納米線單光子探測器(SNSPD)進行時間相關單光子計數(tcspc)測量。


 

糾纏光子演示裝置

 

對CHSH參數(Clauser-Horne-Shimony Holt)的測量(2<s=2.73<2.83)證明了光子糾纏,chsh s="" style="box-sizing: border-box;"> 2就可證明量子糾纏存在。在低增益條件下測量光子對的生成速率,結果表面,在平均光子數為0.1時,zui大光子對生成速率可達1.48GHz,較低的平均光子數則表面該系統更接近純量子態(tài)。這些關于演示源性能的測量結果可以轉化為量子密鑰分發(fā)(QKD)參數。對于采用預報單光子的BB84協議,根據此源,其zui大密鑰率計算為0.633 Gbps,偏振分辨保真度為98%。


偏振糾纏的測量

光子對生成率


糾纏光子演示裝置的性能


工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波導已作為商業(yè)產品發(fā)布。Covesion提供帶有PM1550或PM850光纖輸入和輸出的波導光纖耦合封裝,例如WGCO-1550-40,應用于這些波長轉換。同時為了使糾纏源適合制造并作為商業(yè)產品發(fā)布,下一步工作計劃包括縮小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纖化結構(包括Covesion光纖耦合波導模塊)以及整體降低尺寸、重量和功耗(SWaP-c)。


Covesion光纖耦合波導模塊


 

HiREP項目成功演示了一種偏振糾纏光子源,憑借Covesion的PPLN波導優(yōu)異性能,其生成速率超過1 GHz。這為實現適合量子密鑰分發(fā)(QKD)和量子網絡市場需求的光子源的實用化鋪平了道路。





英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司,專注于高效非線性頻率轉換的MgO:PPLN(氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰)晶體和波導的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產品,包括PPLN塊體晶體、PPLN波導以及PPLN配件。此外,他們還提供定制PPLN服務,利用其極化技術為PPLN晶體設計和制造提供廣泛的技術支持,包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透,以滿足特定波長轉換需求。

 

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務,以及售后技術支持等等,如有任何問題,歡迎隨時聯系我們!



參考文獻:

1. Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex H. S. Bannerman, Alan C. Gray, and Corin B. E. Gawith, “ZnO indiffused MgO:PPLN ridge waveguides," Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)

2. B. Ndagano et al., “A Gigahertz-Rate Source of Polarization-Entangled Photons Using Type-0 PPLN Waveguides," 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, pp. 1-2.



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