一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器

1.本发明属于量子信息科学技术领域，具体涉及一种基于掺铒光波导的通信波段量子存储器。


背景技术：

2.量子存储器通过利用光与原子之间的相互作用实现光量子态的存储，其对于量子中继乃至量子信息网络的实现至关重要。现阶段，用于发展量子存储器的常用物理体系包括：单原子、原子系综、稀土掺杂固态系综、离子阱、nv/siv色心、量子点、光机械振子等。常用于实现固态量子存储器的量子存储协议主要包括光子回波、电磁感应透明、可反转非均匀展宽以及原子频率梳。基于原子频率梳协议的稀土掺杂固态量子存储器不仅具有较高存储效率、较长存储时间，还可实现大宽带以及多模存储。
3.在量子网络中，根据量子不可克隆原理，编码在单光子上的量子信息无法通过经典的光放大技术进行放大。因此，在长距离的光纤传输过程中，只能选择传输损耗率最低的通信波段(1.5μm附近)光子来传输量子信息，同时要求传输系统中的量子存储器具有存储通信波段光子的能力。铒离子在与波长位于1.5μm附近的通信波段光场相互作用时可以发生光学跃迁。因此，掺铒固体材料可以作为基于原子频率梳协议的通信波段、大宽带量子存储器的存储介质。
4.随着量子网络的发展，发展集成化的量子器件是一条必经之路，对于集成化的量子存储器而言，常用光波导作为存储介质，主要原因是它对光场的束缚作用强，可增强光与原子相互作用，进而可以提升量子存储效率。在采用波导的量子存储器中，几乎均采用分立元器件的自由空间耦合方案，此方案为实现高效率的光与波导耦合带来了极大的不便，限制了量子存储器的便捷性，也不利于器件的小型化与集成化，增加了大规模量子互联网的复杂性。因此，量子信息领域目前亟需集成化、小型化、实用化的通信波段量子存储器。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器。本发明以掺铒光波导作为量子存储介质，结合全光纤化封装方法，并采用基于原子频率梳的量子存储协议，实现了小型化、集成化、实用化、大带宽、可多模存储的通信波段固态量子存储器件。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器，包括依次相连接的泵浦激光源1、相位调制器2、可调光衰减器3、第一光开关4、偏振控制器5、第二光开关6和掺铒光波导模块7，所述偏振控制器5的输出端连接所述第二光开关6的第一输入端口，所述第二光开关6的第二输入端口16用于输入待存储光子；
7.所述掺铒光波导模块7由固定于衬底8之上的依次排列的第一光纤准直器9、掺铒光波导芯片11和第二光纤准直器14构成，掺铒光波导芯片11由基体材料12和掺铒光波导13构成，，所述第一光纤准直器9与第二光开关6的输出端通过光纤相连接；
8.所述泵浦激光源1用于为量子存储器中原子频率梳制备过程提供泵浦光；
9.所述相位调制器2用于实现泵浦光的移频；
10.所述第一光开关4用于调制泵浦光的强度，以控制泵浦光的脉宽、占空比和通断；
11.所述第二光开关6用于选择让待存储光子或泵浦光进入掺铒光波导模块7；
12.所述掺铒光波导13为量子存储器的存储介质，输入其中的泵浦激光可以与波导中的铒离子系综发生相互作用，在波导中制备出原子频率梳用于存储待存储光子。
13.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
14.进一步的，所述泵浦激光源1为固体激光器、半导体激光器或者染料激光器，所述泵浦激光源1能产生连续的泵浦光，中心波长范围为1460nm～1570nm。
15.进一步的，所述偏振控制器5为波片型偏振控制器或光纤环型偏振控制器。
16.进一步的，所述相位调制器2为基于kdp晶体的相位调制器或基于铌酸锂晶体的相位调制器，所述相位调制器2的工作波长范围为1530nm～1570nm。
17.进一步的，所述第一光开关4的工作波长范围为1240nm～1640nm，开关时间0.5ms。
18.进一步的，所述掺铒光波导13采用所述半导体工艺加工而成，所述半导体工艺由激光直写、质子交换、精密机械加工、紫外光刻、电子束曝光和等离子刻蚀中至少一种组成。
19.进一步的，所述掺铒光波导13为掺铒铌酸锂波导、掺铒钒酸钇或掺铒钒酸钆波导。
20.本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器，通过相位调制和强度调制制备移频脉冲泵浦光，将泵浦光通过由第一光纤准直器9和激光直写掺铒光波导13形成的全光纤封装耦合结构注入掺铒光波导之中，利用泵浦光在位于波导中的铒离子系综中的选择性谱烧孔效应，制备出可吸收通信波段光子的原子频率梳，从而实现基于原子频率梳的量子存储协议。该器件利用掺铒光波导作为存储介质，可以实现光通信波段固态量子存储器的小型化和集成化。同时，利用通信波段光纤准直器与光波导的全光纤封装耦合技术，实现了固态量子存储器的全光纤封装；本发明所提供的光量子存储器采用基于原子频率梳的量子存储协议，因此具有大带宽、可多模存储的特点。本发明使用的掺铒光波导具有损耗低、可片上集成化的优点，同时其余器件均可来自成熟的光电子器件，有利于系统组装制备和实用化发展，是促进量子信息实用化和构建量子网络的重要基础。
附图说明
21.图1为本发明实施例的一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器的结构示意图；
22.图2为用于测试本发明实施例的一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器性能的弱相干态单光子源的结构示意图；
23.图3为用于测试本发明实施例的一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器性能的单光子计数装置的结构示意图；
24.图4为量子存储器对弱相干态单光子波包的存储的测量中得到的归一化符合计数与相对延时之间的关系曲线。
25.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
26.1、泵浦激光源，2、相位调制器，3、可调光衰减器，4、第一光开关，5、偏振控制器，6、
第二光开关，7、掺铒光波导模块，8、衬底，9、第一光纤准直器，10、胶水，11、掺铒光波导芯片，12、掺铒材料基体，13、掺铒光波导，14、第二光纤准直器，15、第二光开关的第二输入端口，16、第二半导体连续激光器，17、第二铌酸锂相位调制器，18、铌酸锂强度调制器，19、第二光纤衰减器，20、第二光纤偏振控制器，21、任意波形发生器，22、任意函数发生器，23、第三光开关，24、第三光纤偏振控制器，25、超导纳米线单光子探测器，26、时间数字转换器，27、计算机。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
28.如图1所示，本发明实施例提供的一种基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器，包括依次相连接的泵浦激光源1、相位调制器2、可调光衰减器3、第一光开关4、偏振控制器5、第二光开关6和掺铒光波导模块7，所述偏振控制器5的输出端连接所述第二光开关6的第一输入端口，所述第二光开关6的第二输入端口15用于输入待存储光子；
29.所述掺铒光波导模块7由固定于衬底8之上的依次排列的第一光纤准直器9、掺铒光波导芯片11和第二光纤准直器14构成，掺铒光波导芯片11由基体材料12和掺铒光波导13构成(本实施例中的掺铒光波导13是利用激光直写工艺在掺铒的基体材料中制备而成)，所述第一光纤准直器9与第二光开关6的输出端通过光纤相连接；
30.所述泵浦激光源1用于为量子存储器中原子频率梳制备过程提供泵浦光；
31.所述相位调制器2用于实现泵浦光的移频；
32.所述第一光开关4用于调制泵浦光的强度，以控制泵浦光的脉宽、占空比和通断；
33.所述第二光开关6用于选择让待存储光子或泵浦光进入掺铒光波导模块7；
34.所述掺铒光波导13为量子存储器的存储介质，输入其中的泵浦激光可以与波导中的铒离子系综发生相互作用，在波导中制备出原子频率梳用于存储待存储光子。
35.上述实施例中，所述泵浦激光源1为半导体连续激光器，用于输出连续可调谐的窄线宽连续泵浦激光，中心波长为1531.8nm，线宽约10khz，功率约20mw。
36.所述相位调制器2为铌酸锂相位调制器，所述泵浦激光源1输出的连续泵浦激光进入所述相位调制器2。所述相位调制器2对输入其中的光实现频移。所述相位调制器2根据加载于其上的电压信号，通过时变相位调制的方法对输入其中的光进行频移，实现其在距中心频率1ghz至2ghz范围内的线性扫频。具体而言，在外加调制信号的作用下，电光晶体的折射率发生改变，使得输入相位调制器的光获得时变的附加相位，从而实现移频。
37.所述可调光衰减器3为光纤可调衰减器，所述相位调制器2输出的线性扫频连续泵浦激光输入可调光衰减器3，实现线性扫频激光的功率调节。
38.所述第一光开关4和第二光开关6为微机电系统光开关，所述第一光开关4具有一个输入端口，两个输出端口，可用波长范围为1240-1640nm，消光比为75db。可调光衰减器3输出的线性扫频连续泵浦激光输入第一光开关4的输入端口。第一光开关4根据加载于其上的脉宽为200ms，周期为500ms的电脉冲信号，使得输入其中的线性扫频连续泵浦激光在每500ms的周期内，有200ms的时间在高电平控制下从第一光开关4的第一输出端口输出，其余时间在低电平控制下从第一光开关4的第二输出端口输出。也就是第一光开关4的第一输出
端口在每个周期内有200ms的时间对于线性扫频连续泵浦激光呈现“开启”状态；其余时间处于“关断”状态。
39.所述偏振控制器5为光纤偏振控制器，由第一光开关4的第一输出端口输出的线性扫频脉冲泵浦激光输入偏振控制器5之中，实现对线性扫频脉冲泵浦激光偏振状态的调节。
40.所述第二光开关6具有两个输入端口，一个输出端口，可用波长范围为1240-1640nm，消光比为75db。从偏振控制器5输出的线性扫频脉冲泵浦激光输入第二光开关6的第一输入端口；第二输入端口15用于输入待存储光子。第二光开关6根据加载于其上的脉宽为220ms，周期为500ms的电脉冲信号，在每500ms的周期内，前200ms在高电平控制下输出线性扫频脉冲泵浦激光，随后20ms无任何输出，剩余的280ms在低电平控制下输出待存储光子。这样可以有效地将原子频率梳的制备过程和待存储光子的存储过程在时间上分离，一方面避免线性扫频脉冲泵浦激光在待存储光子的存储过程中引进噪声，另一方面避免线性扫频脉冲泵浦激光进入后续固态量子存储器应用环节中的单光子探测过程，损坏单光子探测设备。
41.所述第一光纤准直器9、掺铒光波导芯片11和第二光纤准直器14利用胶水固定在衬底8上。所述衬底8可为紫铜，其具有较高的热导率，使得在固态量子存储器工作所需的约15mk的低温环境中掺铒光波导13能够得到充分冷却。第二光开关6输出的光通过光纤尾纤进入第一光纤准直器9，第一光纤准直器9的工作波段为通信波段、焦距为1mm、束腰直径为50μm。
42.所述掺铒光波导13为使用激光直写工艺加工的掺铒铌酸锂波导，由第一光纤准直器9输出的光经自由空间耦合进入掺铒光波导13，铒离子掺杂浓度为0.1％。为了使第一光纤准直器9输出的线性扫频脉冲泵浦激光能以最低损耗与激光直写掺铒波导13的基模发生耦合，必须将线性扫频脉冲泵浦激光的偏振状态设置为最优偏振状态，通过偏振控制器5可以将泵浦光的偏振态调节至最优偏振状态。
43.耦合进入掺铒光波导13的线性扫频脉冲泵浦激光通过选择性的谱烧孔过程在波导中的铒离子系综中制备原子频率梳。由于原子频率梳的背景吸收占比与泵浦光功率存在关系，为了提高原子频率梳的背景吸收占比，需要将泵浦光功率设置于最优值，通过可调光衰减器3对泵浦光功率的调节可以将泵浦光功率设置于最优值。
44.耦合进入掺铒光波导13的待存储光子与原子频率梳发生相干相互作用，可以被存储在掺铒光波导之中，经过特定的时间之后又释放出来，该特定的时间由原子频率梳的梳齿间距决定。残余的泵浦光或者存储后被释放出来的光子从掺铒光波导13输出之后耦合进入第二光纤准直器14并从其尾纤中输出。第二光纤准直器14的工作波段为通信波段、焦距为1mm、束腰直径为50μm。
45.在完成如图1所示的基于掺铒光波导的通信波段片上量子存储器的制备之后，利用图2中所示的弱相干态单光子源系统和图3中所示的单光子计数装置对量子存储器的存储性能进行测试。
46.图2中所示的弱相干态单光子源系统包括第二半导体连续激光器16、第二铌酸锂相位调制器17、铌酸锂强度调制器18、第二光纤衰减器19、第二光纤偏振控制器20、任意波形发生器21、任意函数发生器22。第二半导体连续激光器16的输出端与第二铌酸锂相位调制器17一端的光纤尾纤相连接，第二铌酸锂相位调制器17的另一端的光纤尾纤与铌酸锂强
度调制器18一端的光纤尾纤相连接，铌酸锂强度调制器18的另一端的光纤尾纤与第二光纤衰减器19的一端相连接，第二光纤衰减器19的另一端与第二光纤偏振控制器20的一端相连接，第二光纤偏振控制器20的另一端与图1中所示的第二光开关6的第二输入端口15相连接。任意波形发生器21的输出端与第二铌酸锂相位调制器17的电学输入端相连接；任意函数发生器22有两个输出端，一个输出端与铌酸锂强度调制器18的电学输入端相连接，另一个输出端用于输出脉冲同步信号。
47.图3中所示的单光子计数装置包括顺次相连的第三光开关23、第三光纤偏振控制器24、超导纳米线单光子探测器25、时间数字转换器26和计算机27。第三光开关23的输入端与图1中第二光纤准直器14的输出端相连接，第一输出端与第三光纤偏振控制器24相连接，第二输出端不连接任何器件或设备。
48.第二半导体连续激光器16输出可调谐的窄线宽连续泵浦激光，中心波长为1531.8nm，线宽约10khz，功率约20mw。
49.第二半导体连续激光器17输出的连续激光输入第二铌酸锂相位调制器(17)。第二铌酸锂相位调制器17根据其电学输入端输入的信号对输入其中的连续激光进行1.5ghz的移频，以实现激光的中心频率与图1中激光直写掺铒波导13中的原子频率梳的中心频率重合。
50.由第二铌酸锂相位调制器17输出的连续激光输入铌酸锂强度调制器18。铌酸锂强度调制器18根据其电学输入端输入的电学信号将输入其中的连续激光调制为脉宽为4ns，周期为400ns的脉冲激光。
51.铌酸锂强度调制器18输出的脉冲激光输入第二光纤衰减器19。第二光纤衰减器19由两个级联的机械式光纤光衰减器构成，可以将输入其中的脉冲激光通过衰减功率的方法转换为弱相干态单光子波包。
52.由第二光纤衰减器19输出的弱相干态单光子波包输入第二光纤偏振控制器20，第二光纤偏振控制器20可以实现弱相干态单光子波包的偏振调节。
53.第二光纤偏振控制器20输出的弱相干态单光子波包输入图1中第二光开关6的第二输入端口15作为待存储光子。为了使待存储光子能以最低损耗与掺铒光波导13的基模发生耦合，必须将待存储光子的偏振状态设置为最优偏振状态，通过偏振控制器5可以将泵浦光的偏振态调节至最优偏振状态。
54.从掺铒光波导13中的原子频率梳中释放出的弱相干态单光子波包经第二光纤准直器14后入射第三光开关23。第三光开关23有一个输入端口，两个输出端口。第三光开关23根据加载于其上的脉宽为220ms，周期为500ms的电脉冲信号，在每500ms的周期内，前220ms在高电平控制下将输入其中的剩余泵浦激光或荧光噪声从其第二输出端口输出，防止该部分光输入并损伤超导纳米线单光子探测器25；随后280ms内在低电平控制下使输入其中的弱相干态单光子波包从其第一输出端输出。从第三光开关23的第一输出端输出的弱相干态单光子波包经第三光纤偏振控制器24后输入超导纳米线单光子探测器25。由于超导纳米线单光子探测器25具有偏振敏感特性，因此通过第三光纤偏振控制器24的偏振调节功能可以使弱相干态单光子波包处于使超导纳米线单光子探测器25探测效率最高的偏振状态。
55.时间数字转换器26有两个输入端，超导纳米线单光子探测器25在探测单光子后所产生的电脉冲输入时间数字转换器26的一个输入端，图2中任意函数发生器22输出的脉冲
同步信号输入时间数字转换器26的另一个输入端。时间数字转换器26对两个输入端输入的脉冲信号进行延时符合计数，得到两个输入端的输入信号在不同的相对延时下的符合计数值，相对延时数据和符合计数值以数字信号的形式传输至计算机，计算机对输入其中的符合计数用其最大值进行归一化，然后对不同相对延时下的归一化符合计数进行可视化，得到图4所示的归一化符合计数与相对延时的关系曲线，其物理意义为不同时刻掺铒光波导13中输出的光子数的相对大小。图4中第一个脉冲表示弱相干态单光子波包在掺铒光波导13中的直接透射，而第二个脉冲则表示在存储100ns之后激光直写掺铒波导13释放出来的弱相干态单光子波包。该结果表示本发明提供的基于掺铒铌酸锂波导的固态量子存储器成功实现了通信波段弱相干态单光子波包的量子存储。
56.基于掺铒光波导的通信波段光量子存储器用于存储通信波段的量子光源，主要是采用原子频率梳协议。本发明实施例使用激光直写的掺铒铌酸锂波导制备通信波段量子存储器件，并利用全光纤化封装方法实现光场与掺铒波导的稳定耦合。该量子存储器具有全光纤化封装、损耗低、便于使用与携带的特点。
57.本发明以掺铒光波导为存储介质制备原子频率梳，从而实现光量子态的存储。本发明中制备通信波段量子存储器的各部分组件，均可来自光纤通信波段成熟的材料和光电子学器件，有利于光通信波段的量子互联网的组装制备和实用化发展。此类光通信波段的量子存储器具有大宽带、多模存储、易与光纤量子通信系统兼容的特点，对推进含量子中继器的量子互联网发展具有至关重要的意义。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
59.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。