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《中国科学技术大学》 2017年
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基于自发四波混频的光子纠缠源研究

李银海  
【摘要】:光,作为能量的载体,供养了地球上的万千生灵;作为信息的载体,连通世界各地,让地球成为村落。光学,一直以来都被人们广泛研究。人类对光学的科学认知,可以追溯到牛顿和惠更斯时代。牛顿认为光具有粒子性并以此解释了反射折射等物理现象,而惠更斯提出了光的波动说,后人以此解释了干涉和衍射等粒子性无法解释的光学现象。最终在1905年,爱伊斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的性质,即光表现出波粒二象性。随着20世纪60年代激光器和光纤的诞生,人类对光学的研究有了长足的进步。作为非线性光学的一个重要课题,四波混频过程起源于介质的束缚电子对电磁场的非线性响应,是一个三阶参量过程。在这个过程中,两个或三个波长的光相互作用,产生两个或者一个新的波长的光。在现代光学中,四波混频在光位相匹配、光参量放大、超连续谱产生以及基于微腔的光学频率梳的产生等方向获得了广泛应用。近代,随着量子力学和量子通信技术的发展,纠缠光子源作为量子纠缠的核心部分获得了广泛而深入的研究。自发四波混频过程中,两个相同的泵浦光子湮灭同时生成了一对关联光子,由此介质中的简并四波混频过程作为一种激发关联光子的有效手段被广泛研究。本论文主要研究了色散位移光纤和硅基波导中的自发四波混频过程,并利用由此激发的关联光子对制备了不同类型的纠缠光子源。这种全光纤、小型化、集成化的光子纠缠源在未来的量子通信网络构建工作中具有重要意义。具体研究内容如下:1.实验研究了色散位移光纤和高非线性光纤中的双泵浦四波混频过程,验证了泵浦光的偏振态对四波混频的效率的影响,并由此探究了光纤中的自发四波混频过程。2.在室温条件下,利用密集波分复用系统和基于色散位移光纤中的自发四波混频过程产生的关联光子源,制备了全光纤多通道的偏振纠缠光子源和Time-bin 纠缠光子源,未去除随机符合的情况下,干涉可见度接近 90%。3.利用两段长度均约为300米的色散位移光纤,制备了两个几乎完全一样的关联光子源,在此基础上,进行了两个独立的纠缠光源的Hong-Ou-Mandel干涉实验,实验验证了两个独立的光纤关联光子源的特性,给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了泵浦脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件。4.利用密集波分复用系统和基于硅基波导中的自发四波混频过程产生的关联光子源,实验验证了硅波导关联光子源的energy-time纠缠特性,制备了偏振纠缠光子源和Time-bin纠缠光子源,未去除随机符合的情况下,干涉可见度达到了 95%以上。本论文主要创新点包括:1.根据自发四波混频的理论描述,利用波分复用系统,在室温下制备了全光纤多通道的关联光子源并进一步制备出纠缠光子源,同时也验证了自发四波混频理论。2.在Hong-Ou-Mandel实验中,给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了泵浦脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件。3.利用硅基波导得到了小型化,集成化的关联光子源,结合密集波分复用系统,产生了覆盖了至少14对通道即24nm的关联光子源,并由此制备了多通道多种纠缠态的纠缠光子源。
【关键词】:自发四波混频 密集波分复用 色散位移光纤 硅基波导 纠缠
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O437.1
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第1章 绪论12-28
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 四波混频的基本概念13-14
  • 1.3 四波混频的基本原理14-18
  • 1.4 位相匹配条件和偏振态影响18-21
  • 1.4.1 位相匹配条件18-19
  • 1.4.2 泵浦偏振态对四波混频的影响19-21
  • 1.5 本论文的主要研究工作21-23
  • 参考文献23-28
  • 第2章 基于自发四波混频的关联光子理论28-64
  • 2.1 光场量子化29-31
  • 2.2 自发四波混频的量子理论31-41
  • 2.2.1 相互作用哈密顿量和联合谱函数32-35
  • 2.2.2 二阶强度关联函数g~((2))35-36
  • 2.2.3 光电探测的量子解释36-37
  • 2.2.4 HBT干涉装置37-41
  • 2.3 光子对的量子关联特性分析41-43
  • 2.3.1 单通道计数率41-43
  • 2.3.2 符合计数率43
  • 2.4 评价纠缠源质量的几种手段43-54
  • 2.4.1 量子纠缠光子源的亮度44-46
  • 2.4.2 CAR和干涉可见度46-51
  • 2.4.3 CHSH不等式51-53
  • 2.4.4 量子态层析53-54
  • 2.5 本章小结54-56
  • 参考文献56-64
  • 第3章 全光纤多通道纠缠光子源的制备64-82
  • 3.1 光纤量子纠缠光子源简介64-65
  • 3.1.1 研究背景和发展现状64-65
  • 3.1.2 本章涉及主要工作65
  • 3.2 色散位移光纤中的四波混频65-68
  • 3.2.1 色散位移光纤介绍66
  • 3.2.2 DSF四波混频实验设置66-67
  • 3.2.3 DSF四波混频实验结果67-68
  • 3.3 多路复用偏振纠缠源68-71
  • 3.3.1 偏振纠缠实验装置68-69
  • 3.3.2 实验原理介绍69
  • 3.3.3 纠缠源质量验证69-71
  • 3.4 多路复用Time-bin纠缠光源71-75
  • 3.4.1 Time-bin纠缠实验装置和理论分析71-73
  • 3.4.2 Time-bin纠缠光源特性检测73-75
  • 3.5 DSF关联光子源的其他参数75
  • 3.6 本章小结75-77
  • 参考文献77-82
  • 第4章 两个独立全光纤多通道光子纠缠源的HOM干涉82-96
  • 4.1 引言82-83
  • 4.1.1 研究背景和发展现状82-83
  • 4.1.2 我们的工作83
  • 4.2 理论分析和数值模拟83-88
  • 4.2.1 Hong-Ou-Mandel干涉理论83-85
  • 4.2.2 基于DSF中自发四波混频过程的关联光子光谱纯度理论85-86
  • 4.2.3 相关函数的模拟结果86-88
  • 4.3 实验装置设置和测量结果88-90
  • 4.3.1 实验光路设置88-89
  • 4.3.2 实验结果与讨论89-90
  • 4.4 本章小结90-92
  • 参考文献92-96
  • 第5章 基于芯片基硅纳米线的多路复用纠缠光源96-116
  • 5.1 硅纳米线纠缠光源简介96-97
  • 5.1.1 研究背景96
  • 5.1.2 发展现状96-97
  • 5.1.3 本章主要工作97
  • 5.2 硅纳米线多路复用时间-能量纠缠光源97-101
  • 5.2.1 时间-能量纠缠实验光路设置和简要理论介绍98-99
  • 5.2.2 实验结果与讨论99-101
  • 5.3 硅纳米线多路复用Time-bin纠缠光源101-105
  • 5.3.1 Time-bin纠缠光源实验光路设置和简要理论介绍101-103
  • 5.3.2 实验结果与讨论103-105
  • 5.4 硅纳米线多路复用偏振纠缠光源105-107
  • 5.4.1 偏振纠缠光源实验光路设置和简要理论介绍105-106
  • 5.4.2 实验结果与讨论106-107
  • 5.5 一些补充数据107-109
  • 5.6 本章小结109-111
  • 参考文献111-116
  • 第6章 总结和展望116-118
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文118-120
  • 致谢120-121

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