紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统的制作方法
紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子光学技术领域，具体涉及一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统。
【背景技术】
[0002]基于量子纠缠光源的量子密码技术已经非常接近实用，但其中量子密钥分配技术仍然有一个核心问题尚待突破，即如何从传统的蛙跳式“可信中继”方式过渡到量子中继模式以实现高可靠性长程量子通信，而采用量子中继器的量子密钥分配系统必须采用基于光子纠缠源的量子密钥分配方案，因此当前限制纠缠式量子密码应用的主要问题是缺乏高亮度、高品质、体积小的通信波段光子纠缠源。最新研宄表明，处于1.5 μπι波段的光子纠缠源不仅能够满足量子密钥分配系统的基本要求，还能匹配当前的光纤通信系统和大气传输窗口，因此研制高亮度、高纠缠品质、小型化的1.5 ym双光子偏振纠缠源十分必要。
[0003]光子纠缠源中，最基本的研宄便是关于双光子纠缠源的开发与应用，其中双光子偏振单自由度纠缠源的研宄与应用较为成熟，尽管多自由度、多光子纠缠源的开发更接近于实际应用需求，但整体难度较大，因此双光子偏振纠缠源是当前各项量子通信实验的主要纠缠源。利用光学非线性耦合作用获得光子纠缠源是最为常用的方法，其中常用的两种非线性耦合作用包括:第一种是基于三波混频的自发参量下转换(sroc)过程，利用的非线性介质包括:普通块状非线性晶体(如KDP、BBO等)、周期性极化晶体(如PPLN、PPKTP)以及新型平面波导介质，其中周期性极化晶体和平面波导的性能优异，但后者制造难度大、成本高；第二种是基于光纤中的自发四波混频(SFWM)非线性效应，利用的非线性光学包括:色散位移光纤、微结构光纤、双折射光纤等。SPDC过程获得光子纠缠源的研宄较多，其突出优点是介质的非线性系数较大，主要缺点是在光纤通信系统中耦合效率较低；SFWM过程获得光子纠缠源的突出优点是与光纤通信系统的高兼容性，但目前高非线性系数的光纤介质较少，一般需要利用脉冲激光器作为泵浦源。以往的研宄中，为获得1.5μπι波段高亮度偏振纠缠光子对连续输出，主要应用的泵浦源有:经过掺铒光纤激光器倍频获得的780nm激光和可调谐钛宝石激光器，前者的整体结构较为复杂且连续倍频转换效率不高，后者成本高、结构也复杂。
[0004]鉴于此，亟需提供一种新的装置以获得1.5 μπι波段高亮度双光子偏振纠缠源。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统，可以获得单频稳频的泵浦光及高亮度、高品质偏振纠缠源。
[0006]第一方面，本发明提供了一种紧凑型半导体激光装置，包括:窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元；
[0007]所述窄线宽激光产生单元包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷；
[0008]所述饱和吸收谱稳频单元与所述窄线宽激光产生单元相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源；
[0009]所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路；
[0010]所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0011]所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合；
[0012]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0013]所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率；
[0014]所述锥形半导体放大单元，与所述饱和吸收谱稳频单元相连，用于提高所述第二光路的输出功率。
[0015]进一步地，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路；
[0016]所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理。
[0017]进一步地，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。
[0018]进一步地，所述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。
[0019]进一步地，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。
[0020]进一步地，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。
[0021]第二方面，本发明还提供了一种双光子偏振纠缠源产生系统，包括偏振纠缠光子对产生装置以及上面所述的紧凑型半导体激光装置；
[0022]所述紧凑型半导体激光装置，用于产生泵浦光；
[0023]所述偏振纠缠光子对产生装置，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。
[0024]进一步地，所述偏振纠缠光子对产生装置包括功率调节单元和偏振纠缠光子对产生单元；
[0025]所述功率调节单元包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节；
[0026]所述偏振纠缠光子对产生单元包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤；
[0027]所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环；
[0028]所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光；
[0029]所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。
[0030]进一步地，所述偏振纠缠光子对产生装置还包括光束整形单元和/或泵浦束腰变换单元；
[0031]所述光束整形单元，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形；
[0032]所述泵浦束腰变换单元，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。
[0033]进一步地，所述双光子偏振纠缠源产生系统还包括纠缠光光纤耦合测试装置，所述纠缠光光纤耦合测试装置用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
[0 034]通过上述技术方案可知，本发明提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。
[0035]本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统，可以用于获得1.5 μπι波段双光子偏振纠缠源，本发明利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性，利用锥形放大器进一步提升LD的输出功率，有利于纠缠源的体积减小、纠缠光的频率稳定以及纠缠源的亮度升级，最终有利于远距离量子密钥分配、量子隐形传态以及量子保密通信的实现。
【附图说明】
[0036]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]图1是本发明第一个实施例提供的紧凑型半导体激光装置的结构示意图；
[0038]图2是本发明提供的紧凑型半导体激光装置的具体实现结构图；
[0039]图3是本发明第二个实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统的结构示意图；
[0040]图4是本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统的具体实现结构图；
[0041]图5是本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]图1示出了本发明第一个实施例提供的紧凑型半导体激光装置的结构示意图，参见图1，本实施例提供的紧凑型半导体激光装置包括:窄线宽激光产生单元11、饱和吸收谱稳频单元12和锥形半导体放大单元13 ；
[0044]所述窄线宽激光产生单元11包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷；
[0045]其中，所述第一光学透镜为准直透镜。
[0046]所述饱和吸收谱稳频单元12与所述窄线宽激光产生单元11相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源；
[0047]所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路；
[0048]所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0049]所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合；
[0050]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0051]所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率；
[0052]可见，所述饱和吸收谱稳频单元采用消多普勒背景的吸收谱作为稳频依据，经过电路处理反馈控制压电陶瓷实现稳频。
[0053]其中，上述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。
[0054]其中，上述第六光学镜为透射率满足预设条件的光学镜片，比如透射率接近10%。
[0055]其中，上述第四光学镜、第五光学镜为高反镜，所述第四和第五光学镜用来改变第三子光路的传输方向，使得其与第二子光路在铷原子气室内反向重合。
[0056]所述锥形半导体放大单元13，与所述饱和吸收谱稳频单元12相连，用于提高所述第二光路的输出功率。
[0057]其中，所述锥形半导体放大单元13可以采用功率放大至2W级别的锥形半导体放大器。
[0058]本实施例提供的紧凑型半导体激光装置利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置通过锥形半导体放大单元进行功率放大，因此可以获取高功率的激光源。综上，本实施例所述的紧凑型半导体激光装置可以输出单频、稳频、高功率的偏振激光。
[0059]在本发明的一个优选实施例中，所述紧凑型半导体激光装置还包括偏振方向调节单元，所述偏振方向调节单元置于锥形半导体放大单元之前，用于调整第二光路输出的光的偏振方向至锥形半导体放大器最佳增益方向。
[0060]其中，所述偏振方向调节单元可以用半波片实现。
[0061 ] 在本发明的一个优选实施例中，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路；
[0062]所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理，以获得两路信噪比较高的吸收谱信号。
[0063]在本发明的一个优选实施例中，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜(比如弱反射光占比小于8% )，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。
[0064]在本发明的一个优选实施例中，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。
[0065]在本发明的一个优选实施例中，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。
[0066]下面结合图2来详细说明一下上面实施例所述的紧凑型半导体激光装置，图2中，I表示脊波导二极管，2表示准直透镜，3表示平面反射式衍射光栅，4表示压电陶瓷，5表示高反镜，6表示一级隔离器，7表示高透弱反镜，8表示未镀膜石英镜片，9表示铷原子室，10表示透射率接近10%的光学镜，11表示光电探测器，12表示稳频电路，13表示控制电源，14表不半波片，15表不锥形半导体放大器，16表不电源。
[0067]参见图2，脊波导二极管I经过透镜2准直出射，利用平面反射式衍射光栅3同时实现外腔反馈与激光输出，通过780nm处、45°高反镜片5转折光路通过一级隔离器6，并通过低反高透的45°放置镜片7分成两路，其中弱反射光(占比小于8% )用于进行反馈控制，强透射光作为所述紧凑型半导体激光装置的输出。
[0068]具体地，弱反射光首先经过一片厚度大于8mm的未镀膜石英镜片8，保证恰好形成两路反射光经过铷原子气室9，恰好只有一路透射光经过三次光路转折进入铷原子气室9，同时实现一路反射光与透射光在铷原子气室9中完全重合，最终两路吸收光信号经过透射率接近1 0%的镜片10进入两个光电探测器11中转换成电信号，并经过稳频电路12处理(做减法运算)以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，稳频电路12将处理后的误差信号反馈至控制电源13中，实时控制压电陶瓷4两端电压从而获得稳定的激光频率。
[0069]强透射光首先经过45°高反镜5转折光路，然后依次通过半波片14、第四片45°高反镜5、第二片准直透镜2进入锥形半导体放大器15中，锥形半导体放大器15由电源16驱动控制；从锥形半导体放大器15出射的激光为紧凑型半导体激光装置输出的激光。
[0070]优选地，光电探测器11和稳频电路12之间还设置有弱信号处理电路(图中未示出)，用于对光电探测器11输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理，以获得两路信噪比较高的吸收谱信号。
[0071]本实施例提供的紧凑型半导体激光装置利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以输出单频、稳频、高功率的偏振780nm激光。
[0072]图3示出了本发明第二个实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统的结构示意图。本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统可以提供1.5 μπι波段的偏振纠缠光子对。参见图3，本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统包括:上述任一实施例所述的紧凑型半导体激光装置301和所述偏振纠缠光子对产生装置302 ;
[0073]所述紧凑型半导体激光装置301，用于产生泵浦光；
[0074]所述偏振纠缠光子对产生装置302，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。
[0075]在本发明的一个优选实施例中，所述偏振纠缠光子对产生装置302包括功率调节单元3021和偏振纠缠光子对产生单元3022 ；
[0076]所述功率调节单元3021包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节；
[0077]所述偏振纠缠光子对产生单元3022包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤；
[0078]所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环；
[0079]所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光；
[0080]所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。
[0081]在本发明的一个优选实施例中，所述偏振纠缠光子对产生装置302还包括光束整形单元3023和/或泵浦束腰变换单元3024 ;
[0082]所述光束整形单元3023，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形；
[0083]所述泵浦束腰变换单元3024，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。
[0084]进一步地，所述的双光子偏振纠缠源产生系统，还包括纠缠光光纤耦合测试装置303，所述纠缠光光纤耦合测试装置303用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置302产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
[0085]下面结合图4来详细说明一下上面实施例所述的双光子偏振纠缠源产生系统，图4中，I表示脊波导二极管，2表示准直透镜，3表示平面反射式衍射光栅，4表示压电陶瓷，5表示高反镜，6表示一级隔离器，7表示高透弱反镜，8表示未镀膜石英镜片，9表示铷原子室，10表示透射率接近10%的光学镜，11表示光电探测器，12表示稳频电路，13表示控制电源，14表示半波片，15表示半导体放大器，16表示电源，17表示柱透镜，18表示二级隔离器，19表不四分之一波片，20表不第一透光镜，21表不第二透光镜，22表不二向色镜，23表不双波长偏振分束棱镜，24表不双波长半波片，25表不双波长反射镜，26表不周期性极化晶体，27表示长通滤波器，28表示耦合透镜，29表示保偏单模光纤，30表示单光子探测器，31表示符合计数系统。
[0086]参见图4，图中圈定的部分为紧凑型半导体激光装置31，其产生的高功率单频稳频激光依次通过第三片准直透镜2、柱透镜17 (光束整形)和二级隔离器18，最后经过两片45°尚反镜5转折光路进入功率调节单兀；
[0087]泵浦光首先经过一片四分之一波片19和二分之一波片14 (功率调节)，然后经过一片22.5°放置的高反镜5转折光路，再经过透镜20、透镜21 (束腰变换)输入，透镜变换后的泵浦光首先经过二向色镜22 (分光)进行泵浦光与参量光的分离，然后进入Sagnac干涉环，入射光与双波长偏振分束棱镜23的入射面垂直，透射光与反射光的偏振方向恰好垂直，偏振分束棱镜23和两片双波长反射镜25构成等要直角Sagnac干涉环，周期性极化晶体26处在干涉环斜边上中间，所述周期性极化晶体为处于II类相位匹配的PPLN (e — o+e)、PPKTP (ο — o+e)中任意一种，当周期性极化晶体26为PPKTP晶体时，双波长半波片24处于反射泵浦光经过的直角边上，当周期性极化晶体26为PPKTP晶体时，双波长半波片24则处于透射泵浦光经过的直角边上；双向泵浦光经过周期性极化晶体26在偏振分束棱镜23处输出，恰好按信号光与闲频光分离，其中一路纠缠光直接经过长通滤波器27和耦合透镜28进入保偏单模光纤29，另一路纠缠光经二向色镜22反射再通过长通滤波器27和耦合透镜28进入另一根保偏单模光纤29中，最终形成双光子偏振纠缠光源。而后由单光子探测器30计数测量，单光子探测器30输出信号到符合计数系统31进行量子纠缠特性分析。
[0088]为进一步体现本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统优越性，结合图2、4和5，本发明还提供一种应用上述双光子偏振纠缠源产生系统获得高亮度纠缠源的方法，具体包括如下步骤:
[0089]首先是获取单频稳频、瓦级功率、高光束质量的780nm泵浦激光:在图2中，脊波导二极管I的发射中心波长在780nm附近、最大输出功率不超过100mW，利用平面反射式衍射光栅3同时实现外腔反馈与激光输出，平面反射式衍射光栅3的左右维度通过附着压电陶瓷片4的机构完成，平面反射式衍射光栅3的上下维度通过其放置的底块机构完成，初步获得中心波长在780.246nm附近、不跳模动态可调节谱宽超过17GHz的激光；种子光经过镜片7分成两路(包括强透射光和弱反射光)，其中弱反射光(占比小于8% )为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路；弱反射光首先经过一片厚度大于8_的未镀膜石英镜片8，保证恰好形成两路反射光经过铷原子气室9，恰好只有一路透射光经过环形腔进入铷原子气室9，同时实现一路反射光与透射光在铷原子气室9中完全重合，最终实现消多普勒背景饱和吸收谱激光稳频。
[0090]强透射光进入锥形半导体放大器中进行功率放大并经过准直透镜、柱透镜进行光束整形，最后输出单频、稳频、高功率线偏振780nm激光。
[0091]具体地，先调节半波片14 (偏振方向调节)的极化方向与锥形半导体放大器15的最大增益方向一致，从而获得最大的输出功率；从锥形半导体放大器15出射的激光依次通过准直透镜2、柱透镜17 (光束整形)整形以获得较高的光束质量。
[0092]其次是获取高亮度双光子偏振纠缠源:泵浦光首先经过由一片四分之一波片19和二分之一波片14组成的功率调节单元，再经过透镜20、透镜 21组成的泵浦束腰变换单元，最后进入Sagnac干涉环，目标纠缠光的束腰由实际应用需求决定(这里主要是单模光纤29决定)，调节透镜20、透镜21的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配，从而加强耦合作用；在某一固定泵浦光功率下，调节四分之一波片19和二分之一波片14的相对极化方向使得实际功率较小时，进行一组纠缠亮度测试与纠缠品质测试，然后再调节四分之一波片19和二分之一波片14的相对极化方向逐步增加实际泵浦光功率，反复进行纠缠特性测试，最终在保证纠缠源品质的前提下，获得最高亮度偏振纠缠光子对输出。
[0093]其中较优地，所述纠缠特性测试包括:纠缠亮度测试与纠缠品质测试，所述纠缠亮度测试指时间相关的单光子符合计数测试，所述纠缠品质测试指干涉对比度测试、贝尔参数测试和保真度测试中的任意一种。
[0094]其中较优地，所述高纠缠亮度获得方法是在接近参量转换阈值功率的条件下，逐步增加780nm泵浦光功率，反复进行所述纠缠特性测试，在保证纠缠源品质的前提下，获得最高亮度偏振纠缠光子对输出。
[0095]综上所述，本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统，可以用于获得1.5 μπι波段双光子偏振纠缠源，本实施例利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性，利用锥形放大器进一步提升LD的输出功率，有利于纠缠源的体积减小、纠缠光的频率稳定以及纠缠源的亮度升级，最终有利于远距离量子密钥分配、量子隐形传态以及量子保密通信的实现。
[0096]以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种紧凑型半导体激光装置，其特征在于，包括:窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元； 所述窄线宽激光产生单元包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷； 所述饱和吸收谱稳频单元与所述窄线宽激光产生单元相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源； 所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路； 所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器； 所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合； 所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器； 所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率； 所述锥形半导体放大单元，与所述饱和吸收谱稳频单元相连，用于提高所述第二光路的输出功率。2.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路； 所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理。3.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。4.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。5.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。6.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。7.—种双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，包括偏振纠缠光子对产生装置以及权利要求1?6任一所述的紧凑型半导体激光装置； 所述紧凑型半导体激光装置，用于产生泵浦光； 所述偏振纠缠光子对产生装置，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。8.根据权利要求7所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，所述偏振纠缠光子对产生装置包括功率调节单元和偏振纠缠光子对产生单元； 所述功率调节单元包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节； 所述偏振纠缠光子对产生单元包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤； 所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环； 所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光； 所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。9.根据权利要求8所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，所述偏振纠缠光子对产生装置还包括光束整形单元和/或泵浦束腰变换单元； 所述光束整形单元，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形； 所述泵浦束腰变换单元，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。10.根据权利要求7所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，还包括纠缠光光纤耦合测试装置，所述纠缠光光纤耦合测试装置用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
【专利摘要】本发明提供了一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统，所述紧凑型半导体激光装置包括窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元。所述双光子偏振纠缠源产生系统包括紧凑型半导体激光装置和偏振纠缠光子对产生装置。本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统实现了高亮度、高品质的1.5μm波段偏振纠缠光子对的获取，且整体结构紧凑、成本较低、适合实际生产应用。
【IPC分类】G02B27/09, G02B27/28, H01S5/06, G02B27/10, G02B27/42, H01S5/0687
【公开号】CN104898288
【申请号】CN201510294345
【发明人】吉恩才, 柳强, 付星, 陆富源, 巩马理
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子光学技术领域，具体涉及一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统。
【背景技术】
[0002]基于量子纠缠光源的量子密码技术已经非常接近实用，但其中量子密钥分配技术仍然有一个核心问题尚待突破，即如何从传统的蛙跳式“可信中继”方式过渡到量子中继模式以实现高可靠性长程量子通信，而采用量子中继器的量子密钥分配系统必须采用基于光子纠缠源的量子密钥分配方案，因此当前限制纠缠式量子密码应用的主要问题是缺乏高亮度、高品质、体积小的通信波段光子纠缠源。最新研宄表明，处于1.5 μπι波段的光子纠缠源不仅能够满足量子密钥分配系统的基本要求，还能匹配当前的光纤通信系统和大气传输窗口，因此研制高亮度、高纠缠品质、小型化的1.5 ym双光子偏振纠缠源十分必要。
[0003]光子纠缠源中，最基本的研宄便是关于双光子纠缠源的开发与应用，其中双光子偏振单自由度纠缠源的研宄与应用较为成熟，尽管多自由度、多光子纠缠源的开发更接近于实际应用需求，但整体难度较大，因此双光子偏振纠缠源是当前各项量子通信实验的主要纠缠源。利用光学非线性耦合作用获得光子纠缠源是最为常用的方法，其中常用的两种非线性耦合作用包括:第一种是基于三波混频的自发参量下转换(sroc)过程，利用的非线性介质包括:普通块状非线性晶体(如KDP、BBO等)、周期性极化晶体(如PPLN、PPKTP)以及新型平面波导介质，其中周期性极化晶体和平面波导的性能优异，但后者制造难度大、成本高；第二种是基于光纤中的自发四波混频(SFWM)非线性效应，利用的非线性光学包括:色散位移光纤、微结构光纤、双折射光纤等。SPDC过程获得光子纠缠源的研宄较多，其突出优点是介质的非线性系数较大，主要缺点是在光纤通信系统中耦合效率较低；SFWM过程获得光子纠缠源的突出优点是与光纤通信系统的高兼容性，但目前高非线性系数的光纤介质较少，一般需要利用脉冲激光器作为泵浦源。以往的研宄中，为获得1.5μπι波段高亮度偏振纠缠光子对连续输出，主要应用的泵浦源有:经过掺铒光纤激光器倍频获得的780nm激光和可调谐钛宝石激光器，前者的整体结构较为复杂且连续倍频转换效率不高，后者成本高、结构也复杂。
[0004]鉴于此，亟需提供一种新的装置以获得1.5 μπι波段高亮度双光子偏振纠缠源。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统，可以获得单频稳频的泵浦光及高亮度、高品质偏振纠缠源。
[0006]第一方面，本发明提供了一种紧凑型半导体激光装置，包括:窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元；
[0007]所述窄线宽激光产生单元包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷；
[0008]所述饱和吸收谱稳频单元与所述窄线宽激光产生单元相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源；
[0009]所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路；
[0010]所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0011]所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合；
[0012]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0013]所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率；
[0014]所述锥形半导体放大单元，与所述饱和吸收谱稳频单元相连，用于提高所述第二光路的输出功率。
[0015]进一步地，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路；
[0016]所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理。
[0017]进一步地，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。
[0018]进一步地，所述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。
[0019]进一步地，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。
[0020]进一步地，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。
[0021]第二方面，本发明还提供了一种双光子偏振纠缠源产生系统，包括偏振纠缠光子对产生装置以及上面所述的紧凑型半导体激光装置；
[0022]所述紧凑型半导体激光装置，用于产生泵浦光；
[0023]所述偏振纠缠光子对产生装置，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。
[0024]进一步地，所述偏振纠缠光子对产生装置包括功率调节单元和偏振纠缠光子对产生单元；
[0025]所述功率调节单元包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节；
[0026]所述偏振纠缠光子对产生单元包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤；
[0027]所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环；
[0028]所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光；
[0029]所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。
[0030]进一步地，所述偏振纠缠光子对产生装置还包括光束整形单元和/或泵浦束腰变换单元；
[0031]所述光束整形单元，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形；
[0032]所述泵浦束腰变换单元，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。
[0033]进一步地，所述双光子偏振纠缠源产生系统还包括纠缠光光纤耦合测试装置，所述纠缠光光纤耦合测试装置用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
[0 034]通过上述技术方案可知，本发明提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。
[0035]本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统，可以用于获得1.5 μπι波段双光子偏振纠缠源，本发明利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性，利用锥形放大器进一步提升LD的输出功率，有利于纠缠源的体积减小、纠缠光的频率稳定以及纠缠源的亮度升级，最终有利于远距离量子密钥分配、量子隐形传态以及量子保密通信的实现。
【附图说明】
[0036]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]图1是本发明第一个实施例提供的紧凑型半导体激光装置的结构示意图；
[0038]图2是本发明提供的紧凑型半导体激光装置的具体实现结构图；
[0039]图3是本发明第二个实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统的结构示意图；
[0040]图4是本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统的具体实现结构图；
[0041]图5是本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]图1示出了本发明第一个实施例提供的紧凑型半导体激光装置的结构示意图，参见图1，本实施例提供的紧凑型半导体激光装置包括:窄线宽激光产生单元11、饱和吸收谱稳频单元12和锥形半导体放大单元13 ；
[0044]所述窄线宽激光产生单元11包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷；
[0045]其中，所述第一光学透镜为准直透镜。
[0046]所述饱和吸收谱稳频单元12与所述窄线宽激光产生单元11相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源；
[0047]所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路；
[0048]所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0049]所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合；
[0050]所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器；
[0051]所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率；
[0052]可见，所述饱和吸收谱稳频单元采用消多普勒背景的吸收谱作为稳频依据，经过电路处理反馈控制压电陶瓷实现稳频。
[0053]其中，上述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。
[0054]其中，上述第六光学镜为透射率满足预设条件的光学镜片，比如透射率接近10%。
[0055]其中，上述第四光学镜、第五光学镜为高反镜，所述第四和第五光学镜用来改变第三子光路的传输方向，使得其与第二子光路在铷原子气室内反向重合。
[0056]所述锥形半导体放大单元13，与所述饱和吸收谱稳频单元12相连，用于提高所述第二光路的输出功率。
[0057]其中，所述锥形半导体放大单元13可以采用功率放大至2W级别的锥形半导体放大器。
[0058]本实施例提供的紧凑型半导体激光装置利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置通过锥形半导体放大单元进行功率放大，因此可以获取高功率的激光源。综上，本实施例所述的紧凑型半导体激光装置可以输出单频、稳频、高功率的偏振激光。
[0059]在本发明的一个优选实施例中，所述紧凑型半导体激光装置还包括偏振方向调节单元，所述偏振方向调节单元置于锥形半导体放大单元之前，用于调整第二光路输出的光的偏振方向至锥形半导体放大器最佳增益方向。
[0060]其中，所述偏振方向调节单元可以用半波片实现。
[0061 ] 在本发明的一个优选实施例中，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路；
[0062]所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理，以获得两路信噪比较高的吸收谱信号。
[0063]在本发明的一个优选实施例中，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜(比如弱反射光占比小于8% )，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。
[0064]在本发明的一个优选实施例中，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。
[0065]在本发明的一个优选实施例中，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。
[0066]下面结合图2来详细说明一下上面实施例所述的紧凑型半导体激光装置，图2中，I表示脊波导二极管，2表示准直透镜，3表示平面反射式衍射光栅，4表示压电陶瓷，5表示高反镜，6表示一级隔离器，7表示高透弱反镜，8表示未镀膜石英镜片，9表示铷原子室，10表示透射率接近10%的光学镜，11表示光电探测器，12表示稳频电路，13表示控制电源，14表不半波片，15表不锥形半导体放大器，16表不电源。
[0067]参见图2，脊波导二极管I经过透镜2准直出射，利用平面反射式衍射光栅3同时实现外腔反馈与激光输出，通过780nm处、45°高反镜片5转折光路通过一级隔离器6，并通过低反高透的45°放置镜片7分成两路，其中弱反射光(占比小于8% )用于进行反馈控制，强透射光作为所述紧凑型半导体激光装置的输出。
[0068]具体地，弱反射光首先经过一片厚度大于8mm的未镀膜石英镜片8，保证恰好形成两路反射光经过铷原子气室9，恰好只有一路透射光经过三次光路转折进入铷原子气室9，同时实现一路反射光与透射光在铷原子气室9中完全重合，最终两路吸收光信号经过透射率接近1 0%的镜片10进入两个光电探测器11中转换成电信号，并经过稳频电路12处理(做减法运算)以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，稳频电路12将处理后的误差信号反馈至控制电源13中，实时控制压电陶瓷4两端电压从而获得稳定的激光频率。
[0069]强透射光首先经过45°高反镜5转折光路，然后依次通过半波片14、第四片45°高反镜5、第二片准直透镜2进入锥形半导体放大器15中，锥形半导体放大器15由电源16驱动控制；从锥形半导体放大器15出射的激光为紧凑型半导体激光装置输出的激光。
[0070]优选地，光电探测器11和稳频电路12之间还设置有弱信号处理电路(图中未示出)，用于对光电探测器11输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理，以获得两路信噪比较高的吸收谱信号。
[0071]本实施例提供的紧凑型半导体激光装置利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以获取单频稳定的激光源，简化了现有技术中单频泵浦源的复杂性，同时提高了单频激光源的稳定性。本实施例提供的紧凑型半导体激光装置可以输出单频、稳频、高功率的偏振780nm激光。
[0072]图3示出了本发明第二个实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统的结构示意图。本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统可以提供1.5 μπι波段的偏振纠缠光子对。参见图3，本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统包括:上述任一实施例所述的紧凑型半导体激光装置301和所述偏振纠缠光子对产生装置302 ;
[0073]所述紧凑型半导体激光装置301，用于产生泵浦光；
[0074]所述偏振纠缠光子对产生装置302，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。
[0075]在本发明的一个优选实施例中，所述偏振纠缠光子对产生装置302包括功率调节单元3021和偏振纠缠光子对产生单元3022 ；
[0076]所述功率调节单元3021包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节；
[0077]所述偏振纠缠光子对产生单元3022包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤；
[0078]所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环；
[0079]所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光；
[0080]所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。
[0081]在本发明的一个优选实施例中，所述偏振纠缠光子对产生装置302还包括光束整形单元3023和/或泵浦束腰变换单元3024 ;
[0082]所述光束整形单元3023，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形；
[0083]所述泵浦束腰变换单元3024，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。
[0084]进一步地，所述的双光子偏振纠缠源产生系统，还包括纠缠光光纤耦合测试装置303，所述纠缠光光纤耦合测试装置303用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置302产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
[0085]下面结合图4来详细说明一下上面实施例所述的双光子偏振纠缠源产生系统，图4中，I表示脊波导二极管，2表示准直透镜，3表示平面反射式衍射光栅，4表示压电陶瓷，5表示高反镜，6表示一级隔离器，7表示高透弱反镜，8表示未镀膜石英镜片，9表示铷原子室，10表示透射率接近10%的光学镜，11表示光电探测器，12表示稳频电路，13表示控制电源，14表示半波片，15表示半导体放大器，16表示电源，17表示柱透镜，18表示二级隔离器，19表不四分之一波片，20表不第一透光镜，21表不第二透光镜，22表不二向色镜，23表不双波长偏振分束棱镜，24表不双波长半波片，25表不双波长反射镜，26表不周期性极化晶体，27表示长通滤波器，28表示耦合透镜，29表示保偏单模光纤，30表示单光子探测器，31表示符合计数系统。
[0086]参见图4，图中圈定的部分为紧凑型半导体激光装置31，其产生的高功率单频稳频激光依次通过第三片准直透镜2、柱透镜17 (光束整形)和二级隔离器18，最后经过两片45°尚反镜5转折光路进入功率调节单兀；
[0087]泵浦光首先经过一片四分之一波片19和二分之一波片14 (功率调节)，然后经过一片22.5°放置的高反镜5转折光路，再经过透镜20、透镜21 (束腰变换)输入，透镜变换后的泵浦光首先经过二向色镜22 (分光)进行泵浦光与参量光的分离，然后进入Sagnac干涉环，入射光与双波长偏振分束棱镜23的入射面垂直，透射光与反射光的偏振方向恰好垂直，偏振分束棱镜23和两片双波长反射镜25构成等要直角Sagnac干涉环，周期性极化晶体26处在干涉环斜边上中间，所述周期性极化晶体为处于II类相位匹配的PPLN (e — o+e)、PPKTP (ο — o+e)中任意一种，当周期性极化晶体26为PPKTP晶体时，双波长半波片24处于反射泵浦光经过的直角边上，当周期性极化晶体26为PPKTP晶体时，双波长半波片24则处于透射泵浦光经过的直角边上；双向泵浦光经过周期性极化晶体26在偏振分束棱镜23处输出，恰好按信号光与闲频光分离，其中一路纠缠光直接经过长通滤波器27和耦合透镜28进入保偏单模光纤29，另一路纠缠光经二向色镜22反射再通过长通滤波器27和耦合透镜28进入另一根保偏单模光纤29中，最终形成双光子偏振纠缠光源。而后由单光子探测器30计数测量，单光子探测器30输出信号到符合计数系统31进行量子纠缠特性分析。
[0088]为进一步体现本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统优越性，结合图2、4和5，本发明还提供一种应用上述双光子偏振纠缠源产生系统获得高亮度纠缠源的方法，具体包括如下步骤:
[0089]首先是获取单频稳频、瓦级功率、高光束质量的780nm泵浦激光:在图2中，脊波导二极管I的发射中心波长在780nm附近、最大输出功率不超过100mW，利用平面反射式衍射光栅3同时实现外腔反馈与激光输出，平面反射式衍射光栅3的左右维度通过附着压电陶瓷片4的机构完成，平面反射式衍射光栅3的上下维度通过其放置的底块机构完成，初步获得中心波长在780.246nm附近、不跳模动态可调节谱宽超过17GHz的激光；种子光经过镜片7分成两路(包括强透射光和弱反射光)，其中弱反射光(占比小于8% )为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路；弱反射光首先经过一片厚度大于8_的未镀膜石英镜片8，保证恰好形成两路反射光经过铷原子气室9，恰好只有一路透射光经过环形腔进入铷原子气室9，同时实现一路反射光与透射光在铷原子气室9中完全重合，最终实现消多普勒背景饱和吸收谱激光稳频。
[0090]强透射光进入锥形半导体放大器中进行功率放大并经过准直透镜、柱透镜进行光束整形，最后输出单频、稳频、高功率线偏振780nm激光。
[0091]具体地，先调节半波片14 (偏振方向调节)的极化方向与锥形半导体放大器15的最大增益方向一致，从而获得最大的输出功率；从锥形半导体放大器15出射的激光依次通过准直透镜2、柱透镜17 (光束整形)整形以获得较高的光束质量。
[0092]其次是获取高亮度双光子偏振纠缠源:泵浦光首先经过由一片四分之一波片19和二分之一波片14组成的功率调节单元，再经过透镜20、透镜 21组成的泵浦束腰变换单元，最后进入Sagnac干涉环，目标纠缠光的束腰由实际应用需求决定(这里主要是单模光纤29决定)，调节透镜20、透镜21的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配，从而加强耦合作用；在某一固定泵浦光功率下，调节四分之一波片19和二分之一波片14的相对极化方向使得实际功率较小时，进行一组纠缠亮度测试与纠缠品质测试，然后再调节四分之一波片19和二分之一波片14的相对极化方向逐步增加实际泵浦光功率，反复进行纠缠特性测试，最终在保证纠缠源品质的前提下，获得最高亮度偏振纠缠光子对输出。
[0093]其中较优地，所述纠缠特性测试包括:纠缠亮度测试与纠缠品质测试，所述纠缠亮度测试指时间相关的单光子符合计数测试，所述纠缠品质测试指干涉对比度测试、贝尔参数测试和保真度测试中的任意一种。
[0094]其中较优地，所述高纠缠亮度获得方法是在接近参量转换阈值功率的条件下，逐步增加780nm泵浦光功率，反复进行所述纠缠特性测试，在保证纠缠源品质的前提下，获得最高亮度偏振纠缠光子对输出。
[0095]综上所述，本实施例提供的双光子偏振纠缠源产生系统，可以用于获得1.5 μπι波段双光子偏振纠缠源，本实施例利用外腔反馈半导体激光器简化了单频泵浦源的复杂性，利用饱和吸收谱稳频提高了泵浦光的频率稳定性，利用锥形放大器进一步提升LD的输出功率，有利于纠缠源的体积减小、纠缠光的频率稳定以及纠缠源的亮度升级，最终有利于远距离量子密钥分配、量子隐形传态以及量子保密通信的实现。
[0096]以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种紧凑型半导体激光装置，其特征在于，包括:窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元； 所述窄线宽激光产生单元包括激光二极管、第一光学透镜和外腔光栅；所述激光二极管发出的激光经过所述第一光学透镜后准直射入所述外腔光栅，所述外腔光栅实现外腔反馈与激光输出；其中所述外腔光栅外附着有压电陶瓷； 所述饱和吸收谱稳频单元与所述窄线宽激光产生单元相连，包括第二光学镜、第三光学镜、第四光学镜、第五光学镜、第六光学镜、铷原子气室、光电探测器、稳频电路、控制电源； 所述第二光学镜将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一光路和第二光路，所述第一光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二光路经过所述锥形半导体放大单元进行功率放大后作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路； 所述第一光路经过第三光学镜，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路和所述第二子光路以平行光路方式进入所述铷原子气室，所述第一子光路经过所述铷原子气室后通过所述第六光学镜进入光电探测器； 所述第三子光路依次经过所述第四光学镜、第五光学镜和所述第六光学镜反射之后，反向进入所述铷原子气室，与正向进入所述铷原子气室的第二子光路重合； 所述第二子光路和所述第三子光路反向重合后形成第四子光路，所述第四子光路通过所述第六光学镜进入光电探测器； 所述稳频电路对所述光电探测器输出的两路电信号进行处理以获得消除多普勒背景的吸收谱信号，所述稳频电路对所述消除多普勒背景的吸收谱信号进一步处理后获得以某一精细峰的中心频率对应电压零点的误差信号，所述稳频电路将所述误差信号发送给所述控制电源，所述控制电源根据所述误差信号控制所述窄线宽激光产生单元中外腔光栅外附着的压电陶瓷两端的电压，以使所述紧凑型半导体激光装置获得稳定的激光频率； 所述锥形半导体放大单元，与所述饱和吸收谱稳频单元相连，用于提高所述第二光路的输出功率。2.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述光电探测器和稳频电路之间还设置有弱信号处理电路； 所述弱信号处理电路用于对所述光电探测器输出的两路电信号进行降噪、放大和滤波处理。3.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述第二光学镜为具有低反高透性质的光学镜，所述第二光学镜用于将所述窄线宽激光产生单元输出的激光分为第一反射光路和第二透射光路，所述第一反射光路为所述紧凑型半导体激光装置内部的稳频反馈光路，所述第二透射光路作为所述紧凑型半导体激光装置的输出光路。4.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述第三光学镜为厚度大于预设阈值的光学镜片，以保证所述第一光路经过所述第三光学镜之后，形成第一子光路、第二子光路和第三子光路，所述第一子光路正常经过所述铷原子气室；所述第二子光路在所述铷原子气室内与方向改变后的第三子光路反向重合。5.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述激光二极管为发射中心波长为770?790nm、最大输出功率小于或等于10mW的脊波导二极管；所述外腔光栅是平面反射式衍射光栅。6.根据权利要求1所述的紧凑型半导体激光装置，其特征在于，所述铷原子气室中的气体为85Rb和87Rb的混合气体。7.—种双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，包括偏振纠缠光子对产生装置以及权利要求1?6任一所述的紧凑型半导体激光装置； 所述紧凑型半导体激光装置，用于产生泵浦光； 所述偏振纠缠光子对产生装置，用于利用所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光产生偏振纠缠光子对。8.根据权利要求7所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，所述偏振纠缠光子对产生装置包括功率调节单元和偏振纠缠光子对产生单元； 所述功率调节单元包括四分之一波片和半波片，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行功率调节； 所述偏振纠缠光子对产生单元包括二向色镜、Sagnac干涉环、长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤； 所述二向色镜对所述功率调节单元输出的泵浦光进行泵浦光和参量光的分离，分离后的泵浦光进入Sagnac干涉环； 所述Sagnac干涉环为等腰直角Sagnac干涉环，所述等腰直角Sagnac干涉环由一片双波长偏振分束棱镜和两片双波长反射镜组成；其中，周期性极化晶体处于所述干涉环的斜边中央，双波长半波片处于所述干涉环任一直角边上；所述等腰直角Sagnac干涉环用于产生两路纠缠光； 所述两路纠缠光分别通过长通滤波器、耦合透镜和保偏单模光纤，形成双光子偏振纠缠光源。9.根据权利要求8所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，所述偏振纠缠光子对产生装置还包括光束整形单元和/或泵浦束腰变换单元； 所述光束整形单元，位于功率调节单元之前，包括准直透镜和/或柱透镜，用于对所述紧凑型半导体激光装置产生的泵浦光进行光束整形； 所述泵浦束腰变换单元，位于所述功率调节单元和所述偏振纠缠光子对产生单元之间，包括第一透光镜和第二透光镜，用于通过调节所述第一透光镜和第二透光镜的焦距大小来实现泵浦束腰与参量光目标束腰的匹配。10.根据权利要求7所述的双光子偏振纠缠源产生系统，其特征在于，还包括纠缠光光纤耦合测试装置，所述纠缠光光纤耦合测试装置用于测试所述偏振纠缠光子对产生装置产生的偏振纠缠光子的纠缠亮度和/或纠缠特性。
【专利摘要】本发明提供了一种紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统，所述紧凑型半导体激光装置包括窄线宽激光产生单元、饱和吸收谱稳频单元和锥形半导体放大单元。所述双光子偏振纠缠源产生系统包括紧凑型半导体激光装置和偏振纠缠光子对产生装置。本发明提供的双光子偏振纠缠源产生系统实现了高亮度、高品质的1.5μm波段偏振纠缠光子对的获取，且整体结构紧凑、成本较低、适合实际生产应用。
【IPC分类】G02B27/09, G02B27/28, H01S5/06, G02B27/10, G02B27/42, H01S5/0687
【公开号】CN104898288
【申请号】CN201510294345
【发明人】吉恩才, 柳强, 付星, 陆富源, 巩马理
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
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