案例分享|基于Sagnac-ppln的寬光譜偏振糾纏光子源

在之前的文章《案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通信波段糾纏光子源的技術創新與商業價值》，我們分享了英國Covesion公司展示的基于MgO:PPLN波導的糾纏光子演示裝置（如下圖）。在Stage 1中通過PPLN波導高效倍頻產生780nm激光。在Stage 2中，將Type-0型PPLN波導置于一個薩格納克（Sagnac）干涉儀配置中，通過自發參量下轉換（SPDC）產生糾纏光子對，并轉換為偏振糾纏自由度。

對于PPLN來說，Type-0準相位匹配（QPM）可以利用鈮酸鋰晶體的Max非線性系數（d33），能夠實現高效的波長轉換。SPDC中所產生的信號光子、閑頻光子與泵浦光子偏振態是一致的，而對于需要偏振糾纏的應用來說則需要一些小小的轉換，而秘訣就在圖中。

在上圖Sagnac干涉儀的一臂中插入了半波片（有時會使用雙波長半波片DHWP）。泵浦光經PBS分束后產生s光和p光，分別進入Sagnac配置環的順時針和逆時針方向。當然對于PPLN波導來說，僅e光輸入可實現高效SPDC，因此需要插入半波片，將泵浦光偏振方向正交的那一臂的偏振態進行旋轉，這樣在兩個方向上均能實現高效光子對產生。此外，在PPLN輸出的過程中，逆時針方向的糾纏光子對會再度經過半波片對偏振態進行旋轉，zui終與順時針原偏振方向的光子對在PBS合束，形成偏振糾纏態 

當然在PPLN所能做的不僅僅只有這些，由于材料色散的原因，SPDC在高效產生糾纏光子對的同時，產生的糾纏光子對在光譜上分布更廣，可用于波分復用(WDM)、量子計量以及時間-能量QKD，是寬帶糾纏源應用的理想選擇。

當然色散也會使得QPM難度變高，英國Covesion公司憑借晶體的設計、制造以及相關溫控與電路技術，穩穩駕馭PPLN，滿足客戶的各項需求。下面讓我們具體看看幾個案例：

C/L波段可調諧偏振糾纏光子對源

來自印度理工學院德里分校物理系量子光子學實驗室的 Joyee Ghosh團隊與2025年1月在專攻量子科學與技術的期刊APL Quantum上發表了題為“Telecom source of tunable polarization-entanglement distribution up to 100-km for multi-user QKD over metro-area fiber-optic networks”的文章，介紹了一種用于量子通信網絡的可調諧偏振糾纏光子對源的研究，并可以在通信C波段與L波段產生多達14對偏振糾纏光子對，并通過波分復用（WDM）技術分配給多用戶進行量子密鑰分發（QKD）。

下圖中是本文中為多用戶生成和表征偏振糾纏光子對的實驗裝置。其中左上角即SPDC的Sagnac配置環路。在全光纖的結構中，通過光纖扭轉90°（紫色箭頭）起到類似半波片的作用。其中SPDC的MgO:PPLN波導由英國Covesion公司提供（WGCO-1550-40，已耦合光纖尾纖），光子對從順時針和逆時針方向生成的概率振幅在輸入光纖偏振分束器（FPBS）后在同一模式下相加，從而產生一個對稱的偏振糾纏態。

由于是非簡并的SPDC，產生的信號光（較短波長，1520~1550nm）位于C波段，而閑頻光（較長波長，1550~1580nm）則位于L波段，可以通過C-L頻帶分配器（band splitter）來進行分離。如此寬光譜的SPDC非常適用于通過波分復用技術將光子對分配到多個不同的波長通道中，如下圖中C37-C50以及對應的C32-19。

而對于標題中的“可調諧”指的是貝爾態之間的切換，由C-L頻帶分配器后的光纖偏振控制器（PC）引入信號光和閑頻光之間的相位差，對貝爾態進行幺正變換，轉換為另一個貝爾態。

在這所有14個通道對中，糾纏態的保真度均高于89%，zui高可達95%；并發度均高于0.8，zui高可達0.91。此外，所有通道對的S參數均大于2.56，顯著違反了CHSH-Bell不等式，表明PPLN產生的糾纏質量很高。在實際測量的100公里光纖傳輸糾纏光子對的實驗中，偏振態保真度仍高于85%，適用于大都市區域的多用戶量子密鑰分發（QKD）和通信。

GHz脈沖糾纏光子源

Meritxell Cabrejo-Ponce課題組（德國耶拿大學及弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所）在國際知名期刊 Quantum Science and Technology 上發表了一項題為“GHz-pulsed source of entangLED photons for reconfigurable quantum networks”的研究成果。文章介紹了一種新型的GHz脈沖糾纏光子源，具有多功能性以及高靈活性。

該研究同樣是基于全光纖結構的Sagnac干涉儀糾纏光子源，能夠在CW和高達GHz的脈沖模式下工作，可以適應不同的量子協議需求。但有趣的是在環路中放置了兩個PPLN波導（Covesion MSHG1550*），實現級聯非線性過程，在順時針和逆時針方向將1560nm泵浦光先SHG再SPDC，zui終產生偏振糾纏光子對。

*MSHG1550該型號實則為塊體晶體的，Covesion可以提供光纖耦合封裝的塊體模塊也有多款波導封裝類型可選。

這篇文章同樣借助PPLN來產生寬帶糾纏光子對。zui高的SHG轉換效率是通過調節波導#1和#2的溫度實現的，同時在大約1560 nm的簡并波長附近產生了寬帶光子對。SPDC光譜覆蓋了C波段及更寬的范圍（從1530 nm到1590 nm），波導#1和#2的半高全寬分別為58 nm和68 nm，如下圖所示。

值得一提的是在Sagnac干涉儀中，存在一個主動態控制模塊（Active state control）。和上一篇通過PC調制相位不同，本文中以電光調制器（EOM）和延遲線，分別對順時針和逆時針傳播的光子進行相位調控，不同的EOM調制電壓可以實現不同的量子態之間切換，更加靈活：

例如兩種貝爾態：

以及在量子秘密共享（QSS）中必不可少的量子態：

文章zui終展現了不同PPLN泵浦配置下的貝爾態保真度均超過0.99，并且具有高亮度，每納米帶寬發射出數百萬個光子對。即使在主動態控制模塊進行快速相位切換時，保真度也能達到95%。憑借PPLN產生的寬SPDC光譜特性，光譜帶寬超過60nm，這為通過波長解復用增加用戶數量或在實際場景中主動分配所需的帶寬提供了可能性，特別適用于未來的量子網絡和量子通信應用。

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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，利用其極化技術為獨特的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。

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參考文獻：

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.

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