光纤Sagnac干涉仪中单光子干涉及路由控制

( 3)
其中 argr - arg rc= P, | t | = | r | = 22. ( 3) 式简化为 < n^4 > = < n^1 > 1P2+ 1P2cos( $<) ,
< n^5 > = < n^1 > 1P2+ 1P2cos( $<) . ( 4) Sagnac 环形光路结构保证了顺时针和逆时针光子经 过的光程完全相等, 在静态时, 两路单光子的相位差 $<= 0, 此时 单光 子在 端口 1 干涉 相长, 从 端口 1 出射.
31 实验与结果
实验使用 Newport_Vortex 6029 半导体激光器, 输 出波长为 1550nm, 激光线宽为 300kHz. 单光子检测 使用自制单光子门限探测器( D 1 和 D2 ) , 其中的雪 崩 二 极 管 ( APD ) 采 用 商 售 InGaAsPInP ( EG&G C30644EJT_07) . APD 工作在盖革模式下, 并采用门 限( gate) 方式[ 15] 被动抑制电路, 其工作 温度采用半 导体制冷控制在- 6010 ? 011 e . APD 输出雪崩信
统 . [ 12,13] 本文介绍一种新型光路结构来自动补偿环 境变 化 所 致 相 位 涨 落 和 偏 振 态 波 动 的 影 响, 在 Sagnac 环形干涉仪中, 利用对顺时针和逆时针两路 单光子脉冲进行分时相位调制的技术[ 14] , 实现稳定 的单光子干涉和路由操控.
21 实验原理
如图 1 所 示, 由 分 束 比 为 50% : 50% 耦 合 器
时, PM2 只对 a3 调制; 或者当( t 3 + S) < t 0 < t2 , 且
t2 - t0 + S < $t < T 光脉冲 - t 2 时, PM2 只对 a2
调制. 调节 PM2 电压幅度 Vm , 在 $t 时间内可获得
相应的相位移:
<2 =
Vm VP
P,
其中
VP
为 PM2 的半波电
式, 即只在计数门开启期间计数有效, 而在没有光子
到达的时间段内不计数. 计数门的开启时间则通过 调节延时精确控制.
Hale Waihona Puke Baidu
实验测得衰减器衰减为- 78dB, 调节激光功率至
30nW, 脉宽为 10ns, 激光脉冲重复频率为 10kHz, 考虑
到波长为 1550nm 的单光子能量约为 113 @ 10- 19 J, 得
压. 同样, 可以确定 PM1 产生相位移 <1. 如果 PM1
和 PM2 同时调制同一路单光子, 则最后获得的相位 差为 $<= <1+ <2 , 而两个相位调制器各调制一路单 光子时, 最后相位差为 $<= <2 - <1 .
当两路单光子相位差 $< 为 P的偶数倍时, 在 端口 1 干涉相长, 单光子从端口 1 出射; 当两路单光 子相位差 $< 为 P的奇数倍时, 在端口 1 干涉相消, 单光子从端口 0 出射; 当两路单光子相位差 $< 为 PP2 的奇数倍时, 单光子以相同的概率从端口 1 或 0 出射.
光纤, PM1 和 PM2 对逆时针单光子进行调制, 延时
分别取 10140 和 25150Ls, 光子到达 D 1 和 D 2 的时间
分别取 26128 和 26126Ls. 为了减少暗噪声, 我们利
用 SR400 的门控工作方式, 设计了同步计数方法进
行雪崩信号的采集. 实验中, SR400 工作在门限方
吴 光 周春源 曾和平­
( 华东师范大学光谱学与波谱学国家教育部重点实验室, 物理系, 上海 200062) ( 2003 年 1 月 8 日收到; 2003 年 5 月 26 日收到修改稿)
介绍一种光纤中稳定的单光子干涉以及单光子路由控制方式. 使用 Sagnac 单光子 环形干涉 仪, 通过 分时相位 调制, 改变其顺时针和逆时针两路光子间的 相位差. 在 Sagnac 单 光子环 形干涉 仪中, 顺时针 和逆时 针两路 光子走 过的是同一段光纤, 简便有效地补偿了光纤长度 随时间缓变带 来的相位 涨落, 而且 两路光子 经历了 相同的 偏振模 色散, 较好地抑制了偏振态波动对单光子干涉的 影响. 在长达 5km 的 1550nm 单模光纤中 , 获得 大于 98% 的单光子 干涉和大于 90% 单光子路由控制; 在长度为 27 和 50km 光纤环路中, 分别获得大于 94% 和 84% 单光子干涉, 这表明 该系统适用于长距离稳定的量子保密通信.
定. 本实验所使用的波导型相位调制器速率可以高
达 10GHz, 在我们的实验中, 所用的波导型相位调制
器的调制信号 来自于信号发生器 ( Agilent 33250) ,
其最高频率只能达到 80MHz, 因而, 实际上单光子开
图 3 PM1 调制控制光子开关图 单 光子开关 对比度大 于 92% u 为 D2, o 为 D1
3期
吴 光等: 光纤 Sagnac 干涉仪中单光子 干涉及路由控制
6 99
其中 r , t 和rc, tc分别为 0 端和 1 端的反射率与透射
率, 经过环形光路 a2 和 a3 发生相同的相位变化 <,
相位调制 引 起的 相 位 差为 $<, 分 束 器分 束 比为 50% B50% , 对应| t | = | tc| = | rc| = | r | , 经计算两端
由( 4) 式可知, 只需改变 $< 便可相应地操控单
光子的出射路径. 我们采用分时相位调制来实现:
同步信号发生器( SSG) 驱动半导体激光器( LD) , 产 生激光脉冲, 并将同步信号发送给光子计数器( cnt )
和延迟信号发生器( DSG) . 如图 2 所示, t 2 为 a2 到
达 PM2 的时刻, t 3 为 a3 到达 PM2 的时刻, 单光子脉
关键词: 单光子路由, 单光子干涉, Sagnac 单光子环形干涉仪, 量子保密通信 PACC: 0365, 4230, 4250
11 引 言
1984 年 Bennett 和 Brassard 提出 了一种 基于 4 个量子态的量子保密通信协议, 称为 BB84 协议[ 1] . 从那时起, 量子信息学的重要分支 ) ) ) 量子保密通 信在理论和实验上有了飞速发展. 又相继出现了基 于两个非正交量子态的 B92 协议[ 2] , 基于光子纠缠 对的 EPR 协议[3] . 实验上, 从最初的空间 30cm 通信 距离[ 4] , 发 展 到 现 在 的 空 间 2314km[ 5] 、光 纤 中 67km[ 6] . 目前, 美国、英国、瑞士和德国竞相在该领 域开展了广泛深入的实验研究. 我国也相继在量子 保密通信的理论和实验方面开展了研究[ 7 ) 9] . 无论 哪种量子通信协议和实验系统, 要实现量子保密通 信必须要有稳定的高对比度的单光子路由控制. 在 光纤中, 由于光纤抖动引起的相位涨落和偏振模色 散引起的偏振波动严重影响了单 光子路由的稳定 性, 使用单个 Mach_Zehnder 干涉仪[2] 很难实现稳定 的路由操控, 而改进后的非对称双 Mach_Zehnder 干 涉仪[ 10] 方式也并非十分理想. 至今较为成功的是利 用 Faraday 反射镜[ 11] 被动补偿偏振模色散以及环境 变化引起光纤扰动的影响, 在此基础上已成功地发 展出 即 插即 用 ( Plug & Play) 式 量 子 保 密 通 信系
当 PM1 和 PM2 共同调制逆时针单光子, PM2 始 终加 P或 PP2 的相位调制, PM1 调制扫描, 获得干涉 图样见图 4. 当两相位调制器分别为( P, 0) 时, 在端 口 1 干涉相消, 单光子从 0 端口出射, 当调制为( P, PP2) 时, 单光子以相同的概率从端口 1 或端口 0 出 射, 显然 PM1 和 PM2 对单光子均起到了调制作用, 对比度达到 90% .
第 53 卷 第 3 期 2004 年 3 月 1000- 3290P2004P53( 03)P0698- 05
物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 53, No. 3, March, 2004 n 2004 Chin. Phys. Soc.
光纤 Sagnac 干涉仪中单光子干涉及路由控制*
7 00
物理学 报
53 卷
关速度的限制来自于实验所使用的调制信号的频率 上限. 而实验中光开关速度的检测受单光子探测器 死时间限制( 约 3Ls) , 仅能达到 300kHz.
图 2 激光脉冲、同步信号和相位调制时序图
号输入光子计数器( SR400) . 实验中, 在耦合器端口 2 与 PC1 之间加约 2km 光纤, PC2 和 PC3 之间有 3km
图 1 单光子干涉和路由实验原理简图 LD 为激光器, attn 为衰减器, cir 为环形器, C 为耦合器, PC1, PC2, PC3 和 PC4 为偏振 控制 器, PM1 和 PM 2 为相位调制器, SSG 为同步信号发生器, cnt 为光子计数器, DSG 为延迟信号发生器, D 1 和 D 2 为单光子探测器
( C ) 、4 个偏振控制器( PC1, PC2, PC3, PC4) 、两个相
位调制器( PM1, PM2) 和长距离光纤连接成 Sagnac 环 形干涉仪. 其中耦合器 有 4 个端口, 即 端口 0, 1, 2
和 3. 激光脉冲经衰减器衰减至准单光子水平, 经环
形器, 单光子 a1 从端口 1 入射, 随机选择端口 2 或 3 进入环形光路, 成为顺时针单光子 a2 或逆时针单光 子 a3 , 单光子 a2 或 a3 经环形光路回到耦合器, 从 端口 1 和 0 出射的单光子分别记为 a4 和 a5 , 假设 从端口 0 入射的单光子 a0 为真空态| 04, 则有
口出射平均光子数为
< n^4 > = < n^1 > [ | t | 4 + | r | 4 - 2 | r | 2 | t | 2
@ cos( $<+ argr - arg rc) ] , < n^5 > = < n^1 > 2 | r | 2 | t | 2[ 1+ cos( $<
+ arg r - argr ) ] ,
调制, PM1 对逆时针单光子加调制 0 或 P, 由( 4) 式
可知, 当 PM1 调制为 0 时, 单光子从端口 1 出射; 当 PM1 调制为 P时, 单光子从 0 端口出射, 对 1 @ 104次
计数进行叠加获得的对比度大于 92% . 单光子路由
开关速率由相位调制器的开关速率决定, 而周期性 单光子开关的重复频率直接由调制信号重复频率决
a^2 = tca^0 + ra^1 ,
a^3 = rca^0 + ta^1 ,
( 1)
a^4 = ta^3 ei( <+ $<) + rca^2 ei<,
a^5 = tca^2 ei< + ra^3 ei( <+ $ <) ,
( 2)
* 上海市重点学科建设、国家重点基础研究发展规划项目( 批准号: 2001CB309301) 和国家自然科学基金( 批准号: 10374028) 资助的课题. ­ 通讯联系人. E_mail: hpzeng@ phy. ecnu. edu. cn
到平 均光子数<
n^1 >
=
30 @ 10- 9 @ 10- 7. 8P104 1. 3 @ 10- 19
U 014,
单光子计数门宽选择 30ns. 并且使用了 4 个 Lefevre
偏振控制器[ 16] , 控制偏振态以便得到稳定的单光子
干涉.
图 3 为 PM1 单独调制光开关图, 此时 PM2 不加
图 4 PM1( a) 和 PM2( b) 共同 调制的 单光子 路由图 单 光 子路由对比度大于 90% u 为 D 1 , o 为 D 2
宽为 S, $t 为相位调制脉冲宽度, Vm 为相位调制脉
冲电压幅度, t 0 为 DSG 自接收到同步信号到发出
相位调制脉冲的延迟时间, T 光脉冲 为单光子脉冲的
重复周期. 通过调节 t0 和 $t , 可选择 PM2 对逆时
针路径单光子 a2 或顺时针路径单光子 a3 进行相位
调制: 当 0< t 0 < t 2 , 且 t 3 - t 0 + S < $t < ( t 2 - t0 )