案例分享 | 聚焦PPLN:1.48GHz通信波段纠缠光子源的技术创新与商业价值

生成高速率的纠缠光子对的能力是量子密钥分发（QKD）和量子信息处理（QIP）系统的关键要求。QKD为安全社会提供了前景，包括保护关键信息、基础设施以及有价值的数据，例如国家的电网、水务等系统。而QIP则为容错通用量子计算铺平了道路，有效减少量子比特的错误率，从而实现更快的药物发现和复杂系统的优化，提供了强大的计算支持。

为了达成这个目的，由英国创新署（Innovate UK）资助的“高速率纠缠光子”项目（High Rate of Entangled Photons，HiREP）应运而生。该项目由英国Covesion Ltd主导并与弗劳恩霍夫应用光子学中心合作，利用非线性光学波导技术研发出一种高速率、偏振纠缠的光子对源。昊量光电作为Covesion产品的官方代理，致力于为客户提供高质量的PPLN产品和专业的技术支持。

项目主要目标

开发周期性极化铌酸锂PPLN波导，用于高效产生光子对。

通过将高功率泵浦源与高转换效率的波导相结合，设计一种能够高速产生纠缠光子的光学系统。

演示通信波长（1560nm）偏振纠缠光子的高生成率（>1GHz，符合欧洲航天局规定的市场要求）。

为波导晶体和集成纠缠光子源提供进入市场的途径。

集成（基于波导的）自发参量下转换（SPDC）为高效生成纠缠光子对提供了一种途径，因为所有下转换光都被限制在定义明确的单个横向模式中，从而提高了收集效率。此外，集成化为生成最终具有更高级别功能的鲁棒性解决方案提供了一种途径，包括泵浦激光器和分束器。高纠缠光子率对于实现高安全密钥率（例如，经过空间传输损耗后）或提高量子信息处理能力至关重要。由Covesion开发的PPLN波导可以实现高效二次谐波发生（SHG）和自发参量下转换（SPDC）。波导经过优化，在1560nm的基础波长上以单模运行，其MFD与标准（PM1550）光纤跳线非常匹配，从而实现了光纤集成的高耦合效率，利用这些波导展示了高速率纠缠光子。

通过PPLN波导设计并制造了一个光学平台演示系统，共分为以下三个阶段

第1阶段SPDC泵浦：基于放大的通信波段（1560nm）激光器SHG产生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波导提供。

第2阶段光子对生成：PPLN波导通过SPDC在1560nm波长处产生光子对。将SPDC波导置于Sagnac干涉仪中可实现偏振纠缠。

第3阶段光子对检测：信号光子和闲频光子被分为两路，利用偏振光学器件进行单独分析，并通过超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行时间相关单光子计数（TCSPC）测量。

纠缠光子演示装置

对CHSH参数（Clauser-Horne-Shimony Holt）的测量（2 2就可证明量子纠缠存在。在低增益条件下测量光子对的生成速率，结果表明，在平均光子数为0.1时，最大光子对生成速率可达1.48GHz，较低的平均光子数则表明该系统更接近纯量子态。这些关于演示源性能的测量结果可以转化为量子密钥分发（QKD）参数。对于采用预报单光子的BB84协议，根据此源，其最大密钥率计算为0.633 Gbps，偏振分辨保真度为98%。

偏振纠缠的测量

光子对生成率

纠缠光子演示装置的性能

工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波导已作为商业产品发布。Covesion提供带有PM1550或PM850光纤输入和输出的波导光纤耦合封装，例如WGCO-1550-40，应用于这些波长转换。同时为了使纠缠源适合制造并作为商业产品发布，下一步工作计划包括缩小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纤化结构（包括Covesion光纤耦合波导模块）以及整体降低尺寸、重量和功耗（SWaP-c）。

Covesion光纤耦合波导模块

HiREP项目成功演示了一种偏振纠缠光子源，凭借Covesion的PPLN波导优异性能，其生成速率超过1 GHz。这为实现适合量子密钥分发（QKD）和量子网络市场需求的光子源的实用化铺平了道路。

参考文献：

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.

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，专注于高效非线性频率转换的MgO:PPLN（氧化镁掺杂周期极化铌酸锂）晶体和波导的研究、开发和制造。他们提供广泛的产品，包括PPLN块体晶体、PPLN波导以及PPLN配件。此外，他们还提供定制PPLN服务，利用其极化技术为独特的PPLN晶体设计和制造提供广泛的技术支持，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

上海昊量光电设备有限公司作为英国Covesion在中国地区的独家授权代理商,负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等等,如有任何问题,欢迎随时联系我们!