量子光的光谱特征从一个工程的ii型和频产生过程

在这项工作中，我们在周期极化铌酸锂(Ti:ppLN)中表征了i型无扩散波导的和频产生。我们讨论了相位匹配曲线的特征，这些特征表明了在大约1536 nm处使用参数下转换(PDC)源的单光子运行该过程的最佳实验条件。当泵浦波长为874 nm时，惰轮出现在绿色的557 nm处。我们在单光子水平上给出了惰轮的光谱特性。

在最近的量子通信研究中，参数下转换(PDC)在χ(²)-非线性晶体中对光子对的产生起着重要作用(参见例[1,2,3])。如果源的设计方式能够控制过程[4]的频谱特性，则可以利用丰富的时间频谱结构进行量子通信[5]。然而，这些由PDC状态的施密特模式分解产生的所谓的时间或时频模式必须得到控制。

光子的时间和光谱结构可以通过量子脉冲门(QPG，[6])访问和操纵。这种设计的非线性器件采用群速度匹配和频率生成过程对PDC光子的时间模式结构进行操作。此外，由于该过程将电信光子转换为可见光谱，检测也简化了。由于周期性极化铌酸锂中钛扩散波导的高约束，信号和泵浦之间的群速度匹配保证了数厘米长的相互作用长度，这一过程尤其有效。恒定的时间重叠对于在上述时间模式上进行操作至关重要。此外，QPG提供了带宽压缩的副作用，这实际上可能被证明在将飞行量子比特与量子存储器的原子跃迁连接的背景下非常有用[7,8]。

和频产生(SFG)

和频生成是一个二阶非线性过程，其中泵浦(p)场与标记信号(s)的输入场重叠，在理想情况下，信号完全转换为空转波(i)波长，其中空转波频率ωi = 2πc/λi是泵浦频率和信号频率的和:

这就相当于能量守恒。同样，动量守恒产生了相位匹配条件:

在块状材料中，这种情况引起了梁间角度的约束。然而，我们在这个过程中使用了波导，使场是同轴的。这意味着波向量可以用标量传播常数来代替

其中n_eff描述了与空间模式传播速度相关的有效折射率。由于依赖于波长，我们会遇到相位不匹配:

为了弥补这一点，通常使用一种称为周期极点的常见技术。晶体域自发极化的可控反演引入了一个额外的光栅矢量k_G由轮询周期Λ定义:

其中m为奇数，表示准相位匹配的顺序。因此，相位失配k可以得到补偿，并且可以在极点技术的限制下实现任意波长组合的和频产生。此外，折射率的温度依赖性为相位匹配的微调提供了额外的自由度。必须指出的是，在实验中，同时对多个波长组合进行相位匹配是可能的。这是由于波导仅支持1536 nm信号波长的单一模式，但泵浦波长和空转波长存在多个空间模式，使得信号和泵浦波长的几种组合能够实现准相位匹配。

工程群速度匹配

实验中使用的SFG工艺为ii型工艺，即泵浦与信号具有正交极化。这意味着它们的群速度不仅由于色散而不同，而且由于铌酸锂的双折射而不同。铌酸锂沿普通轴和非凡轴极化的群速度如图2所示。对于信号和泵浦，选择所示的波长组合以实现两个输入之间的群速度匹配。然后根据方程选择周期极化的光栅周期，从而实现该波长组合的准相位匹配。这使得两个输入沿波导运动时保持重叠。对于这里所处理的情况，需要4微米的短光栅周期。较长的相互作用长度使得该工艺的转换效率较高，可达87.7%[6]。这样高的转换效率只有通过适当设计的相位匹配和过多的相关知识才能实现。值得注意的是，惰轮的群速度与其他的群速度不同:

确切地说,这群速度失配导致更长的脉冲持续时间空转相比的信号:惰脉冲持续时间20 ps的顺序,而信号和泵持续时间是同样的短下1 p。脉冲傅里叶变换的频谱形状的颞信封,空转的带宽在几十皮米的范围,这使得高分辨率光谱仪不可或缺的特征的过程。

图2:铌酸锂中普通(o)极化和异常(e)极化的群速度。虚线表示群速度匹配SFG过程的示例波长组合

相位匹配表征

对于相位匹配的测量，我们使用图3所示的设置，其中包含一个工作在874 nm左右的脉冲Ti:Sapphire激光器(相干变色龙Ultra)和一个发射约1550 nm的可调谐连续波(CW)光纤激光器(Tunics)。对作为信号的光纤激光器进行扫频，同时保持脉冲激光器作为泵浦的发射波长不变。与脉冲激光器相比，连续波激光器的线宽较小，可以实现非常精细的相位匹配采样。半波板设置了ii型工艺所需的正交偏振。

通过非球面透镜与QPG波导的精确耦合由elliott - martock波导工作站控制，该工作站提供总共10个自由度。耦合器以某种方式对准，使泵处于基本空间模式，当输出在CCD相机上成像时。然后通过二向色镜将托辊与未转换的光和残余泵分离，并耦合到多模光纤中。光纤连接到由三叶草SR-500i-D1-SIL光谱仪和Newton DU970P-BVF EMCCD摄像机组成的Andor光谱仪系统。通过自动化激光调谐和测量的惰路光谱的采集，可以获得如图4所示的SFG过程的联合光谱强度测量。

图3:相位匹配表征的实验设置;HWP:半波板，DM:二向色镜，SMF:单模光纤，MMF:多模光纤

情节揭示了这一过程的几个特征。首先，可以观测到几种空间模式。尽管大部分泵浦功率处于与图像底部明亮轨迹相关的基本模式中，但在其他空间模式中仍有一些剩余功率，导致图像中间有两个更多的轨迹峰值。

此外，与模态相关的每条相位匹配曲线都具有曲率。角度由信号和泵之间的群速度不匹配给出，其中水平点表示完美的群速度匹配，这是曲线顶部的情况

最后，相位匹配的正弦形状对于最亮的轨迹是可见的。值得注意的是，检测到的惰频谱的谱宽仅为30 pm左右，而观测到的整个模态结构的宽度小于2 nm。只有安装了2400线/mm的衍射光栅才能观察到该结构的细节。在两种激光器的可用亮度水平下，安多牛顿相机的电子倍增器可以关闭，同时仍可在100毫秒范围内实现每个光谱(所示图像由100个光谱组成)的采集时间。

图4:SFG过程的联合光谱强度

图5:PDC源光子频率转换的实验设置;HWP:半波板，PBS:偏振分束器，DM:二向色镜，SMF:单模光纤，MMF:多模光纤

PDC光子的SFG操作

在接下来的实验中，根据基于周期极化磷酸钛钾(KTP)[4]的波导PDC源的发射波长为1536 nm，选择与一个空间模式相关的相位匹配条件之一。该光源由768 nm脉冲泵浦，通过使用APE紧凑OPO和体SHG晶体对激光脉冲进行下转换获得。在图5所示的设置中，来自简并型ii过程的光子被偏振分束器分裂，其中一个被发送到QPG。源被泵浦，使得PDC态的平均光子数约为0.1

为了观察SFG过程中微弱的转换绿色光子，我们利用了EMCCD相机异常高的量子效率。得到的光谱如图6所示，其中仍然可以观察到不同空间模式产生的峰值。采集时间在几秒范围内，然而，电子倍增器允许将采集时间降低至300毫秒，这允许实时查看转换后的频谱，甚至适用于校准。短的采集时间基本上提供了一个实时测量，允许进一步校准波导耦合与单光子信号。

结论

我们用高分辨率光谱仪描述了钛-铌酸锂中波导ii型和频产生过程的相位匹配函数，并能观察到该函数的模态结构。这使我们能够确定信号和泵浦之间的群速度匹配的条件，最终允许来自基于磷酸钛酸钾的参数下转换源的有效频率转换，实时可观察到。确定使进程群速度匹配的条件，可以实现对时间重叠敏感的一系列应用，例如对时频模式的操作[5,6]。bob综合app官网登录

参考文献

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