一种OAM光子态分离器制造技术

一种N维OAM光子态分离器，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1，2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及本专利技术涉及信息处理
，具体涉及一种OAM光子态分离器。
技术介绍
轨道角动量(OAM)光子态的希尔伯特空间的维度原则上可以无限大，因此，OAM光子态的在高维量子信息处理中扮演者重要角色。作为高维量子态，OAM光子纠缠态实现了高维贝尔不等式验证，并且在量子精密测量中起到了重要而独特的作用；作为高维量子比特的载体，OAM光子态是高维量子通信的主要候选者之一；作为轨道角动量的携带者，OAM光子态在光机械研究中有重要应用，如光镊。在以上所述领域中利用OAM光子态的基本前提是：1.制备符合要求OAM光子态；2.高效地分离和测量OAM光子态。现有技术已经能制备出纯度很高的OAM光子态，但是相应的高效分离测量装置，尤其是非破坏分离，仍然是OAM光子态应用的主要瓶颈之一。目前，OAM光子态的测量方案主要有以下几种：1.利用涡旋光相位片(VVP)或空间光调制器(SLM)，将特定阶数的OAM光子态转换为高斯光，并在后续光路中只允许高斯光通过，从而实现某一特定阶数的OAM光子态的分离测量。2.利用保角变换，将OAM光子态转换为平面光，然后利用透镜将不同阶OAM光子态对应的平面光聚焦到不同的空间位置，从而实现OAM光子态的分离测量。3.利用马赫-曾德干涉仪(MZI)和道威棱镜(Doveprism)调制OAM光子态，并利用干涉原理，使奇数阶和偶数阶的OAM光子态从MZI的不同出射端出射，从而实现OAM光子态的分离测量。方案1只能分离出某一特定的量子态并实现测量(改进后的方案能分离多个量子态，但仍然远不能满足需要)，且分离测量效率很低。虽然方案2能较为高效地同时分离20-30个不同的量子态，但是方案1和2的分离测量过程都需要把OAM光子态转换为高斯光或平面光，破坏了原来的量子态，因此分离后的光子态不能用作进一步的量子操作。这些缺点严重限制了OAM光子态在量子信息处理中的应用。方案3能实现OAM光子态的非破坏分离，但是该方案只能将奇数阶和偶数阶的OAM光子态分离开，如果要实现不同偶数阶(奇数阶)量子态的分离，则需要级联MZI结构，并且级联结构之间需要加入VPP改变OAM光子态的阶数。由于Gouy相位因子的存在，加入的VPP会导致不同阶OAM光子态的相位发生改变，从而影响干涉可见度，随着OAM光子态阶数和级联MZI数目的增加，OAM光子态的分离效率和纯度将不断下降。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种OAM光子态分离器，为一种OAM光子态非破坏分离器。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种N维OAM光子态分离器，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1，2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换，所述第一N维多通道分束器的N个入射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个入射端口，所述第二N维多通道分束器的N个出射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个出射端口。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种并行级联结构的OAM光子态分离器，包括一个p维OAM光子态分离器和p个q维OAM光子态分离器，p维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个q维OAM光子态分离器，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种并行多级级联结构的OAM光子态分离器，包括1个p1维的OAM光子态分离器作为第1级，p1个p2维的OAM光子态分离器作为第2级，p1.p2个p3维的OAM光子态分离器作为第3级，…，p1.p2.….pj-1个pj维的OAM光子态分离器作为第j级，p1，p2，…，pj两两互质，第i级中的每一个pi维OAM光子态分离器的每一出射端口均级联一个第i+1级中pi+1维OAM光子态分离器，其中p1维OAM光子态分离器、p2维OAM光子态分离器、……及pj维的OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p1、p2…、pj时的情况，p1、p2…、pj为正整数，p1、p2…、pj≥2，j为正整数，i＝1，2…，j-1。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种时间延迟级联结构的OAM光子态分离器，包括一个p维OAM光子态分离器和一个q维OAM光子态分离器及p个时间延迟器TD，p维OAM光子态分离器的每一出射端口通过一时间延迟器级联所述q维OAM光子态分离器一相应的入射端口，其中p维OAM光子态分离器和q维OAM光子态分离器分别为上述的N维OAM光子态分离器N＝p和N＝q时的情况，p，q为正整数，p，q≥2。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：(1)采用两个新型N维多通道分束器和N个保自旋角动量的道威棱镜模块实现N个OAM光子态的非破坏分离；(2)、道威棱镜模块为在道威棱镜后设置四分之一波片可以补偿光子态的自旋角动量；(3)、采用平行六面体形的保OAM的新型4通道分束器(BS)构建新型N维多通道分束器来实现N维幺正变换；(4)、采用并行级联、并行多级级联及时间延迟级联结构的OAM光子态分离器来简化装置结构。附图说明图1(a)为现有技术中4通道分束器的结构示意图图1(b)为本专利技术实施例中新型4通道分束器的结构示意图；图2为采用图1(a)中4通道分束器的N维多通道分束器的结构示意图；图3为本专利技术实施例中的OAM光子态分离器的示意图；图4为图3中OAM光子态分离器中新型N维多通道分束器的道威棱镜模块的结构示意图；图5为本专利技术实施例中并行级联结构的OAM光子态分离器的示意图；图6为本专利技术实施例中并行多级级联结构的OAM光子态分离器的示意图；图7为本专利技术实施例中时间延迟级联结构的OAM光子态分离器的示意图。具体实施方式本专利技术某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本专利技术的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本专利技术满足适用的法律要求。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术实施例提供一种新型4通道分束器(BS)，来克服现有的4通道分束器(BS)不保轨道角动量，光子的OAM经过现有的4通道分束器(BS)的反射后会被反演的问题，即原来l阶的OAM光子态反射后被反演成了-l阶的OAM光子态。该新型4通道分束器(BS)为一平行六面体形，包括由两个直角棱镜拼接而成，与现有4通道分束器(BS)采用将两个直角棱镜的斜面拼接而成不同，该新型4通道分束器(BS)采用将两个直角棱镜的直角面拼接而成，可以保轨道角动量，即保持轨道角动量(OAM)不变。现有的典型4通道分束器结构如图1(a)所示，本专利技术新型4通道分束器结构如图1(b)所示，其中1，2为入射端口，1’，2’为出射端口。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种N维OAM光子态分离器，其特征在于，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1.2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换，所述第一N维多通道分束器的N个入射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个入射端口，所述第二N维多通道分束器的N个出射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个出射端口。

【技术特征摘要】
1.一种N维OAM光子态分离器，其特征在于，包括：第一N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；第二N维多通道分束器，包括N个入射端口和N个出射端口；N个保SAM的道威棱镜模块，第k个保SAM的道威棱镜模块设置在第一N维多通道分束器的第k个出射端口和第二N维多通道分束器的第k个入射端口之间，其中N为正整数，N≥2，k＝1.2，…，N；其中，所述第一N维多通道分束器和第二N维多通道分束器均能实现N维幺正变换，所述第一N维多通道分束器的N个入射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个入射端口，所述第二N维多通道分束器的N个出射端口作为所述N维OAM光子态分离器的N个出射端口。2.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于，OAM光子态从第一N维多通道分束器入射端的任意端口入射，不同阶的OAM光子态从第二N维多通道分束器不同的出射端口出射，出射态|ψ>out，2为：|ψ>out,2=UN|ψ>in,2=|N+2-k-l′>out,2⊗|l>OAMifk+l′<N+2|2N+2-k-l′>out,2⊗|l>OAMifk+l′>N+2]]>其中，|N+2-k-l′>out，2、|2N+2-k-l′>out，2表示出射端口的量子态，|l>OAM表示l阶OAM光子态，l′＝lmodN，N为N维多通道分束器的维度，k为OAM光子态的初始入射端口，UN为N维幺正变换矩阵，|ψ>in，2第二N维多通道分束器的入射态。3.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于：所述保SAM的道威棱镜模块包括道威棱镜及级联在其后的四分之一波片。4.根据权利要求1所述的N维OAM光子态分离器，其特征在于，当N＝2时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器为一4通道分束器，所述4通道分束器呈平行六面体形，由两直角棱镜拼接而成，其中一直角棱镜的直角面与另一直角棱镜的直角面相拼接；所述当N≥3时，所述第一N维多通道分束器和/或第二N维多通道分束器包括：反射镜；个4...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈巍，王纺翔，银振强，王双，周政，何德勇，韩正甫，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34