Волоконно-оптический источник запутанных фотонов

Полезная модель относится к области волоконно-оптической техники и описывает конструкцию источника коррелированных по времени и перепутанных по поляризации фотонов на основе скрученного оптического волокна.
Известна схема генерации модифицированных трехмодовых ГХЦ состояний (патент РФ №2626167). Схема включает в себя импульсный лазер с диагонально поляризованным излучением, разделенным с помощью светоделителя на два пучка для одновременного накачивания двух оптических параметрических усилителей ортогонально поляризованных компонент, которые могут быть реализованы с помощью анизотропных элементов в виде сдвоенных нелинейных кристаллов, переполяризованных кристаллов, а также интерференционных систем; в одном из источников возбуждается процесс спонтанного параметрического рассеяния с образованием двух ортогонально поляризованных пространственных мод с максимально перепутанным белловским состоянием света, локализованным в однофотонных импульсах, после чего один из рассеянных пучков направляется на вход второго источника (оптического параметрического усилителя) одновременно со сформированным с помощью указанного светоделителя импульсом накачки, синхронизированным с помощью линии задержки по времени с инжектируемым импульсом; инжектируемая пространственная мода ориентирована под определенным углом по отношению ко второму кристаллу-усилителю таким образом, что на выходе из второго кристалла формируются две пространственные моды, причем в пространственной моде, коллинеарной с направлением распространения инжектируемой моды, наблюдается двухфотонное состояние.
В известной схеме для генерации запутанных состояний используется спонтанное параметрическое рассеяние в нелинейных объемных кристаллах. Для дальнейшего использования запутанных фотонов в системах связи необходимо ввести их в оптическое волокно с помощью объемных оптических элементов, что вносит дополнительные потери.
Техническая задача полезной модели состоит в том, чтобы исключить потери на вводе фотонов в оптическое волокно, уменьшить габариты устройства за счет отсутствия объемных кристаллов в конструкции, а также повысить надежность схемы за счет устранения необходимости оптической юстировки. Поставленная задача решается заявляемой полезной моделью.
В настоящее время использование запутанных фотонов является основных методом квантовой оптики, применяющимся или потенциально пригодных для применения в таких технологиях, как квантовая связь, квантовая криптография, квантовые вычисления, а также в фундаментальных исследованиях.
В основе механизма генерации запутанных фотонов лежат нелинейные оптические процессы, в которых происходит взаимодействие и запутывание нескольких фотонов. Это могут быть многофотонные взаимодействия, такие как трехфотонное и четырехфотонное. Наиболее эффективным является трехфотонный процесс [Edamatsu K. Entangled Photons: Generation, Observation, and Characterization 2007 Jpn. J. Appl. Phys. 46 7175], однако для его существования необходимо отсутствие симметрии центра инверсии в используемой структуре. В связи с этим в оптическом волокне используется менее эффективное четырехфотонное взаимодействие [Marco Fiorentino, Paul L. Voss et al. All-Fiber Photon-Pair Source for Quantum Communications, IEEE Photonics Technology Letters, 2002, V. 14, N. 7]. В данной полезной модели предлагается устранить центральную симметрию структуры волокна его скручиванием, что позволяет реализовать трехфотонный процесс.
Параметрическое рассеяние при трехфотонном взаимодействии - это эффект распада высокочастотного фотона на два низкочастотных фотона, сигнальный (фотон с большей или равной частотой) и холостым (фотон с меньшей или равной частотой). Для генерации пары запутанных фотонов при трехфотонном взаимодействии должны быть выполнены условия сохранения энергии
p
t
s
где ω - частота волны накачки, ω - частота холостой волны и ω - частота сигнальной волны, а также условие фазового синхронизма [J. Fan, М.D. Eisaman, and A. Migdall, Bright phase-stable broadband fiber-based source of polarization-entangled photon pairs, Physical Review A 76, 2007 043836]
p
t
s
где k, k и k - волновые векторы сигнальной, холостой и сигнальной волны соответственно.
Волновая функция состояния возникающих в скрученном волокне право- и левополяризованные моды содержит пары поляризационно запутанных фотонов
где L и R - волновые функции право и левой циркулярно поляризованных фотонов, являющиеся собственными модами скрученного волокна.
Анизотропное возмущение тензора диэлектрической проницаемости, вызванное механическим напряжением в скрученном волокне, имеет следующий вид в цилиндрических координатах
,
44
11
12
11
12
где r - радиальная координата, τ - степень скручивания на единицу длины и p=(p-p)/2, p и p - фотоупругие константы, ε - диэлектрическая проницаемость кварца [Smith A.M. Birefringence induced by bends and twists in single-mode optical fiber, Appl. Opt, 1980, V. 19, N 15, p. 2606-2611]. В пространственном распределении тензора диэлектрической проницаемости отсутствует зеркальная симметрия, т.к. зеркальной данной структуре будет структура, закрученная в противоположную сторону. Амплитуда возмущения растет с радиальной координатой, максимальна на поверхности волокна, и отсутствует по оси волокна.
Собственными волнами скрученной среды являются моды с ортогональными циркулярными поляризациями - право- и левополяризованные, имеющие различные постоянные распространения
,
(0)
где β - постоянная распространения моды невозмущенного световода. Циркулярно-поляризованные моды распространяются с различными скоростями, поэтому линейно-поляризованная волна (представляющая из себя сумму двух ортогонально поляризованных циркулярных мод), распространяющаяся в скрученном волокне, будет вращать направление поляризации [Иванов О.В., Никитов С.А. Оболочечные моды волоконных световодов и длиннопериодные волоконные решетки, М: Физматлит, 2012, 248 с.].
Для решения поставленной выше задачи заявляется волоконно-оптический источник запутанных фотонов, содержащий источник излучения и анизотропный элемент, в котором происходит генерация запутанных фотонов, отличающийся от ранее предложенной схемы тем, что он выполнен в виде вставки скрученного волокна. Излучение накачки на скрученную вставку подается из волоконно-оптического лазера по стандартному оптическому волокну. Генерируемое излучение направляется через циркулятор на волоконную брэгговскую решетку, выход которой соединен с дифракционной решеткой на массиве волноводов.
Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлена схема источника запутанных фотонов. Фигуры 2 и 3 иллюстрируют деформацию оптического волокна при его скручивании на виде сбоку и в его сечении.
Устройство содержит волоконно-оптический лазер 1, вставку скрученного волокна 2 между стандартными волокнами, циркулятор 3, волоконную брэгговскую решетку 4 и дифракционную решетку на массиве волноводов 5. Выход волоконно-оптического лазера 1 соединен со стандартным оптическим волокном, в котором сделана вставка скрученного волокна 2. Вставка волокна соединена с первым портом циркулятора 3, второй порт которого соединен с входом волоконной брэгговской решетки 4, выход которой соединен с дифракционной решеткой на массиве волноводов 5. Третий порт циркулятора соединяется с поглотителем 6.
Устройство работает следующим образом.
Лазерное излучение выходит из волоконно-оптического лазера 1 и поступает по стандартному волокну до вставки из специального скрученного волокна 2. Во вставке в результате трехфотонного взаимодействия происходит генерация излучения на комбинационных длинах волн, и образуются пары запутанных фотонов. Эти фотоны вместе с излучением накачки попадают в циркулятор 3, а после в волоконную брэгговскую решетку 4, которая отфильтровывает излучение накачки, отражая его в обратном направлении в циркулятор. Излучение накачки перенаправляется циркулятором на поглотитель 6. Затем пара фотонов, прошедших через брэгговскую решетку, поступает на дифракционную решетку на массиве волноводов 5, где разделяется по длине волны на сигнальный и холостой фотоны.
Генерация запутанной пары происходит за счет квадратичной нелинейности, возникающей в скрученном волокне благодаря появлению анизотропии диэлектрической проницаемости и снятию зеркальной симметрии структуры, а появление нелинейности второго порядка приводит к генерации запутанных фотонов.
В предложенном источнике запутанных фотонов генерация происходит за счет трехфотонного взаимодействия во вставке специального скрученного волокна, что позволяет не использовать объемные кристаллы в конструкции источника, что может привести к уменьшению габаритов устройства. Применение оптоволоконных компонентов для генерации запутанных фотонов устраняет необходимость применения устройств согласования для введения излучения после генерации в оптоволоконную линию для дальнейшего использования. Исполнение источника запутанных фотонов без объемных компонентов и устройств согласования приводит к отсутствию необходимости юстировки устройства.
Полезная модель может быть реализована с использованием известных средств и технологий.