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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。
【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

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