案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通訊波段糾纏光子源的技術創新與商業價值

生成高速率的糾纏光子對的能力是量子密鑰分發（QKD）和量子信息處理（QIP）系統的關鍵要求。QKD為安全社會提供了前景，包括保護關鍵信息、基礎設施以及有價值的數據，例如guo家的電網、水務等系統。而QIP則為容錯通用量子計算鋪平了道路，有效減少量子比特的錯誤率，從而實現更快的藥物發現和復雜系統的優化，提供了強大的計算支持。

為了達成這個目的，由英國創新署（Innovate UK）資助的“高速率糾纏光子”項目（High Rate of EntangLED Photons，HiREP）應運而生。該項目由英國Covesion Ltd主導并與弗勞恩霍夫應用光子學中心合作，利用非線性光學波導技術研發出一種高速率、偏振糾纏的光子對源。昊量光電作為Covesion產品的代理，致力于為客戶提供高質量的PPLN產品和專業的技術支持。

項目主要目標：

• 開發周期性極化鈮酸鋰PPLN波導，用于高效產生光子對。

• 通過將高功率泵浦源與高轉換效率的波導相結合，設計一種能夠高速產生糾纏光子的光學系統。

• 演示通信波長（1560nm）偏振糾纏光子的高生成率（>1GHz，符合歐洲航天局規定的市場要求）。

• 為波導晶體和集成糾纏光子源提供進入市場的途徑。

集成（基于波導的）自發參量下轉換（SPDC）為高效生成糾纏光子對提供了一種途徑，因為所有下轉換光都被限制在定義明確的單個橫向模式中，從而提高了收集效率。此外，集成化為生成最終具有更高 極別功能的魯棒性解決方案提供了一種途徑，包括泵浦激光器和分束器。高糾纏光子率對于實現高安全密鑰率（例如，經過空間傳輸損耗后）或提高量子信息處理能力至關重要。由Covesion開發的PPLN波導可以實現高效二次諧波發生（SHG）和自發參量下轉換（SPDC）。波導經過優化，在1560nm的基礎波長上以單模運行，其MFD與標準（PM1550）光纖跳線非常匹配，從而實現了光纖集成的高耦合效率，利用這些波導展示了高速率糾纏光子。

通過PPLN波導設計并制造了一個光學平臺演示系統，共分為以下三個階段

第1階段 SPDC泵浦：基于放大的通信波段（1560nm）激光器SHG產生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波導提供。

第2階段 光子對生成：PPLN波導通過SPDC在1560nm波長處產生光子對。將SPDC波導置于Sagnac干涉儀中可實現偏振糾纏。

第3階段 光子對檢測：信號光子和閑頻光子被分為兩路，利用偏振光學器件進行單獨分析，并通過超導納米線單光子探測器（SNSPD）進行時間相關單光子計數（tcspc）測量。

糾纏光子演示裝置

對CHSH參數（Clauser-Horne-Shimony Holt）的測量（2<s=2.73<2.83）證明了光子糾纏，chsh s="" style="box-sizing: border-box;"> 2就可證明量子糾纏存在。在低增益條件下測量光子對的生成速率，結果表面，在平均光子數為0.1時，zui大光子對生成速率可達1.48GHz，較低的平均光子數則表面該系統更接近純量子態。這些關于演示源性能的測量結果可以轉化為量子密鑰分發（QKD）參數。對于采用預報單光子的BB84協議，根據此源，其zui大密鑰率計算為0.633 Gbps，偏振分辨保真度為98%。

偏振糾纏的測量

光子對生成率

糾纏光子演示裝置的性能

工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波導已作為商業產品發布。Covesion提供帶有PM1550或PM850光纖輸入和輸出的波導光纖耦合封裝，例如WGCO-1550-40，應用于這些波長轉換。同時為了使糾纏源適合制造并作為商業產品發布，下一步工作計劃包括縮小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纖化結構（包括Covesion光纖耦合波導模塊）以及整體降低尺寸、重量和功耗（SWaP-c）。

Covesion光纖耦合波導模塊

HiREP項目成功演示了一種偏振糾纏光子源，憑借Covesion的PPLN波導優異性能，其生成速率超過1 GHz。這為實現適合量子密鑰分發（QKD）和量子網絡市場需求的光子源的實用化鋪平了道路。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，專注于高效非線性頻率轉換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導的研究、開發和制造。他們提供廣泛的產品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務，利用其極化技術為PPLN晶體設計和制造提供廣泛的技術支持，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務，以及售后技術支持等等,如有任何問題,歡迎隨時聯系我們!

參考文獻：

1. Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex H. S. Bannerman, Alan C. Gray, and Corin B. E. Gawith, “ZnO indiffused MgO:PPLN ridge waveguides,” Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)

2. B. Ndagano et al., “A Gigahertz-Rate Source of Polarization-Entangled Photons Using Type-0 PPLN Waveguides,” 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, pp. 1-2.

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