案例分享 | 基于Sagnac-ppln的宽光谱偏振纠缠光子源

在之前的文章《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》，我们分享了英国Covesion公司展示的基于MgO:PPLN波导的纠缠光子演示装置（如下图）。在Stage 1中通过PPLN波导高效倍频产生780nm激光。在Stage 2中，将Type-0型PPLN波导置于一个萨格纳克（Sagnac）干涉仪配置中，通过自发参量下转换（SPDC）产生纠缠光子对，并转换为偏振纠缠自由度。

对于PPLN来说，Type-0准相位匹配（QPM）可以利用铌酸锂晶体的最大非线性系数（d33），能够实现高效的波长转换。SPDC中所产生的信号光子、闲频光子与泵浦光子偏振态是一致的，而对于需要偏振纠缠的应用来说则需要一些小小的转换，而秘诀就在图中。

在上图Sagnac干涉仪的一臂中插入了半波片（有时会使用双波长半波片DHWP）。泵浦光经PBS分束后产生s光和p光，分别进入Sagnac配置环的顺时针和逆时针方向。当然对于PPLN波导来说，仅e光输入可实现高效SPDC，因此需要插入半波片，将泵浦光偏振方向正交的那一臂的偏振态进行旋转，这样在两个方向上均能实现高效光子对产生。此外，在PPLN输出的过程中，逆时针方向的纠缠光子对会再度经过半波片对偏振态进行旋转，最终与顺时针原偏振方向的光子对在PBS合束，形成偏振纠缠态

当然在PPLN所能做的不仅仅只有这些，由于材料色散的原因，SPDC在高效产生纠缠光子对的同时，产生的纠缠光子对在光谱上分布更广，可用于波分复用(WDM)、量子计量以及时间-能量QKD，是宽带纠缠源应用的理想选择。

当然色散也会使得QPM难度变高，英国Covesion公司凭借晶体的设计、制造以及相关温控与电路技术，稳稳驾驭PPLN，满足客户的各项需求。下面让我们具体看看几个案例：

C/L波段可调谐偏振纠缠光子对源

来自印度理工学院德里分校物理系量子光子学实验室的Joyee Ghosh团队与2025年1月在专攻量子科学与技术的期刊APL Quantum上发表了题为“Telecom source of tunable polarization-entanglement distribution up to 100-km for multi-user QKD over metro-area fiber-optic networks”的文章，介绍了一种用于量子通信网络的可调谐偏振纠缠光子对源的研究，并可以在通信C波段与L波段产生多达14对偏振纠缠光子对，并通过波分复用（WDM）技术分配给多用户进行量子密钥分发（QKD）。

下图中是本文中为多用户生成和表征偏振纠缠光子对的实验装置。其中左上角即SPDC的Sagnac配置环路。在全光纤的结构中，通过光纤扭转90°（紫色箭头）起到类似半波片的作用。其中SPDC的MgO:PPLN波导由英国Covesion公司提供（WGCO-1550-40，已耦合光纤尾纤），光子对从顺时针和逆时针方向生成的概率振幅在输入光纤偏振分束器（FPBS）后在同一模式下相加，从而产生一个对称的偏振纠缠态。

由于是非简并的SPDC，产生的信号光（较短波长，1520~1550nm）位于C波段，而闲频光（较长波长，1550~1580nm）则位于L波段，可以通过C-L频带分配器（band splitter）来进行分离。如此宽光谱的SPDC非常适用于通过波分复用技术将光子对分配到多个不同的波长通道中，如下图中C37-C50以及对应的C32-19。

而对于标题中的“可调谐”指的是贝尔态之间的切换，由C-L频带分配器后的光纤偏振控制器（PC）引入信号光和闲频光之间的相位差，对贝尔态进行幺正变换，转换为另一个贝尔态。

在这所有14个通道对中，纠缠态的保真度均高于89%，最高可达95%；并发度均高于0.8，最高可达0.91。此外，所有通道对的S参数均大于2.56，显著违反了CHSH-Bell不等式，表明PPLN产生的纠缠质量很高。在实际测量的100公里光纤传输纠缠光子对的实验中，偏振态保真度仍高于85%，适用于大都市区域的多用户量子密钥分发（QKD）和通信。

GHz脉冲纠缠光子源

Meritxell Cabrejo-Ponce课题组（德国耶拿大学及弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所）在国际知名期刊Quantum Science and Technology上发表了一项题为“GHz-pulsed source of entangled photons for reconfigurable quantum networks”的研究成果。文章介绍了一种新型的GHz脉冲纠缠光子源，具有多功能性以及高灵活性。

该研究同样是基于全光纤结构的Sagnac干涉仪纠缠光子源，能够在CW和高达GHz的脉冲模式下工作，可以适应不同的量子协议需求。但有趣的是在环路中放置了两个PPLN波导（Covesion MSHG1550*），实现级联非线性过程，在顺时针和逆时针方向将1560nm泵浦光先SHG再SPDC，最终产生偏振纠缠光子对。

*MSHG1550该型号实则为块体晶体的，Covesion可以提供光纤耦合封装的块体模块也有多款波导封装类型可选。

这篇文章同样借助PPLN来产生宽带纠缠光子对。最高的SHG转换效率是通过调节波导#1和#2的温度实现的，同时在大约1560 nm的简并波长附近产生了宽带光子对。SPDC光谱覆盖了C波段及更宽的范围（从1530 nm到1590 nm），波导#1和#2的半高全宽分别为58 nm和68 nm，如下图所示。

值得一提的是在Sagnac干涉仪中，存在一个主动态控制模块（Active state control）。和上一篇通过PC调制相位不同，本文中以电光调制器（EOM）和延迟线，分别对顺时针和逆时针传播的光子进行相位调控，不同的EOM调制电压可以实现不同的量子态之间切换，更加灵活：

例如两种贝尔态：

以及在量子秘密共享（QSS）中必不可少的量子态：

文章最终展现了不同PPLN泵浦配置下的贝尔态保真度均超过0.99，并且具有高亮度，每纳米带宽发射出数百万个光子对。即使在主动态控制模块进行快速相位切换时，保真度也能达到95%。凭借PPLN产生的宽SPDC光谱特性，光谱带宽超过60nm，这为通过波长解复用增加用户数量或在实际场景中主动分配所需的带宽提供了可能性，特别适用于未来的量子网络和量子通信应用。

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!

参考文献：

1. Yadav, Vikash Kumar, Vivek Venkataraman, and Joyee Ghosh. "Telecom source of tunable polarization-entanglement distribution up to 100-km for multi-user QKD over metro-area fiber-optic networks." APL Quantum 2.1 (2025).

2. Cabrejo-Ponce, Meritxell, et al. "GHz-pulsed source of entangled photons for reconfigurable quantum networks." Quantum Science and Technology 7.4 (2022): 045022.